Nanoencapsulação de óleo:desenvolvimento, aplicação e incorporação no mercado de alimentos

Resumo

Os óleos são substâncias muito importantes na nutrição humana. No entanto, eles são sensíveis ao oxigênio, calor, umidade e luz. Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente na tecnologia de modificação de óleos. Métodos que modificam as características do óleo e tornam os óleos aplicações adequadas têm sido cada vez mais estudados. A nanotecnologia se tornou uma das tecnologias estudadas mais promissoras que podem revolucionar a ciência de alimentos convencionais e a indústria de alimentos. A nanoencapsulação de óleo pode ser uma alternativa promissora para aumentar a estabilidade e melhorar a biodisponibilidade de compostos nanoencapsulados. A ocorrência de nanoencapsulação de óleo vem aumentando rapidamente, principalmente na indústria de alimentos. As tecnologias convencionais de nanoencapsulação aplicadas em diferentes óleos exercem impacto direto na síntese de nanopartículas de óleo, influenciando parâmetros como potencial zeta, tamanho e índice de polidispersidade; essas características podem limitar o uso de óleos em diferentes indústrias. Esta revisão resume a nanoencapsulação de óleo na indústria de alimentos e destaca as tecnologias, vantagens e limitações de diferentes técnicas para a obtenção de nanocápsulas de óleo estáveis; também ilustra as principais oportunidades e benefícios das inovações tecnológicas e analisa a proteção dessa tecnologia por meio de pedidos de patentes. Nos últimos 20 anos, a nanoencapsulação de óleo cresceu consideravelmente na indústria de alimentos. Embora os derivados de petróleo nanoencapsulados não sejam encontrados atualmente na indústria de alimentos, há vários artigos na área de ciência de alimentos relatando que a nanoencapsulação de petróleo será uma tendência de mercado. No entanto, diferentes áreas podem aplicar óleos nanoencapsulados, conforme demonstrado por meio de pedidos de patentes.

Introdução

Os óleos têm um papel importante na nutrição humana. Além de fornecer calorias, eles agem como um veículo para vitaminas solúveis em gordura, como A, D, E e K. Os óleos também são fontes de ácidos graxos essenciais, como os ácidos linoléico, linolênico e araquidônico, e contribuem à palatabilidade dos alimentos. Os componentes mais expressivos do óleo são os triglicerídeos, e as propriedades físicas desses triglicerídeos dependem da estrutura e distribuição dos ácidos graxos presentes [1,2,3,4].

Aproximadamente 90% da produção de óleo é de origem vegetal, derivada do processamento de sementes e destinada ao consumo humano. Na indústria, tem havido um aumento da demanda do mercado por óleos das mais diversas fontes naturais, especialmente em aplicações alimentícias para formulação de produtos como bolos, biscoitos, pães, margarinas e laticínios e para uso em frituras. entre outras aplicações [5, 6].

Os 10% restantes da produção de óleo são destinados à produção de ração animal e uso em diversos processos industriais, como matéria-prima para a fabricação de fungicidas, sabões, detergentes, sabonetes, amaciantes biodegradáveis, cosméticos e biodiesel [5].

Considerando a importância nutricional e econômica dos óleos comestíveis, tem havido um interesse crescente nos últimos anos nas tecnologias de modificação desses óleos. As tecnologias de modificação têm sido cada vez mais estudadas para alterar as características dos óleos e torná-los adequados para determinadas aplicações. Os pesquisadores encontraram várias tecnologias para melhorar a qualidade e segurança dos alimentos. O envolvimento da nanotecnologia na indústria de alimentos tem levado à produção de alimentos com melhor estabilidade térmica, melhor solubilidade e novos e mais elevados níveis de biodisponibilidade oral [7].

A nanotecnologia tem sido sugerida para impactar positivamente o campo da ciência alimentar, aumentando a vida útil dos produtos alimentícios, permitindo melhores métodos de rastreamento e rastreamento de contaminantes, criando estratégias aprimoradas de armazenamento de alimentos e promovendo a incorporação de suplementos de saúde ou agentes antibacterianos aos alimentos. Assim, a nanotecnologia realmente contribui muito para a ciência dos alimentos [7].

A nanotecnologia se tornou uma das tecnologias mais promissoras para revolucionar a ciência de alimentos convencionais e a indústria de alimentos. O processamento e embalagem assistidos por nanotecnologia provaram a importância da nanotecnologia nos sistemas alimentares. Diferentes tecnologias de preparação podem produzir nanopartículas com diferentes propriedades físicas; assim, essas partículas poderiam ser utilizadas em alimentos [8, 9].

O encapsulamento é um processo no qual gotículas lipídicas bioativas são recuperadas por uma crosta ou encerradas em uma matriz heterogênea ou homogênea para criar pequenas cápsulas [3] de nanoescalas [10] com tamanhos menores que 1000 nm, sendo um nanômetro um bilionésimo de um metro [ 11]; o encapsulamento tem muitas propriedades úteis [3]. De acordo com Gonnet et al. [12], o encapsulamento é uma abordagem potencial na preservação das propriedades do óleo natural / nativo ao longo do tempo. Os sistemas clássicos desenvolvidos em nano ou microencapsulação são baseados em reservatórios ou partículas matricidas.

Além de seus benefícios, a nanoencapsulação é caracterizada por aumentar a biodisponibilidade da substância ativa encapsulada e protegê-la contra efeitos naturais e de processamento, como os efeitos químicos [13, 14], efeitos enzimáticos e instabilidade física observada durante o processamento de , produtos nutracêuticos [13], farmacêuticos e cosméticos [3] [10]. O encapsulamento também representa um meio de melhorar as eficiências biológicas, como o controle da entrega dos componentes ativos e do prazo de validade, podendo prevenir o surgimento de efeitos colaterais [12].

O encapsulamento de óleo pode prevenir ou retardar as reações de oxidação, considerando que esses sistemas podem constituir uma barreira físico-química contra elementos pró-oxidantes como oxigênio, radicais livres ou radiação ultravioleta (UV) [12, 15] e ampliar a gama de produtos alimentícios destinados a fins de enriquecimento. O encapsulamento de óleo bioativo, por exemplo, representa uma abordagem eficiente e viável na modificação da liberação de óleo, a proteção contra reações de oxidação ambiental, um aumento na estabilidade física, uma diminuição na volatilidade, uma redução na toxicidade, um aumento na bioatividade e um melhora na adesão e conveniência do paciente [3]. Especificamente, na indústria de alimentos, essa tecnologia aprimora as qualidades dos alimentos processados, como retenção de sabor, antioxidação, vida útil, cor e odor desagradável; estende o tempo de armazenamento de produtos alimentícios; e protege os ingredientes do meio ambiente, reduzindo a perda de sabor durante a preservação e controlando a liberação de substâncias bioativas [16].

Muitas técnicas são aplicadas para encapsulamento. Em geral, três métodos são usados ​​no encapsulamento de agentes bioativos:(a) uma estrutura de barreira é criada em torno do agente encapsulado; (b) materiais contaminados não podem entrar; e (c) os agentes encapsulados são arranjados para proteção contra detrimentos indesejáveis ​​[17].

Em muitos casos, a nanoencapsulação começa com a produção de nanoemulsões, que são sistemas formados pelas fases oleosa e aquosa; as nanoencapsulações são emulsificadas por meio do uso de, na maioria dos casos, emulsificantes. Além disso, as nanoemulsões são formadas com tamanhos de gota pequenos e grandes áreas de superfície [18]. Essas propriedades conferem-lhes vantagens potenciais sobre as emulsões convencionais, como boa estabilidade física e maior biodisponibilidade [19]. Algumas técnicas estudadas para obter nanoemulsão de óleo e nanoencapsulação de óleo incluem nanoprecipitação, secagem por pulverização, gelificação iônica, deposição interfacial do polímero pré-formado, difusão de emulsão, evaporação de solvente de emulsificação, o uso de lipossomas, homogeneização de alto cisalhamento (microfluidização), emulsificação espontânea e transportadores de lipídios nanoestruturados (NLCs).

O objetivo deste estudo é pesquisar o potencial e as aplicações atuais do encapsulamento de óleo na indústria de alimentos, ilustrando os principais benefícios e oportunidades de inovação e também considerando os desafios futuros, incluindo produtos atuais no mercado de alimentos e pedido de patente. Novos produtos petrolíferos nanoencapsulados e pedidos de patentes prometem o uso de petróleo em vários setores da indústria. Além disso, a micro e nanoencapsulação podem promover (a) uma redução na evaporação ou taxa de transferência do material do núcleo para o ambiente externo; (b) proteção do material do núcleo contra a degradação por uma redução na reatividade ao meio ambiente externo; (c) controle da taxa de liberação do material do núcleo, lentamente ao longo do tempo ou em um determinado momento; (d) modificação das características físicas do material original para permitir um manuseio mais fácil; (e) mascaramento de um sabor indesejado ou sabor do material do núcleo; (f) separação dos componentes da mistura que, de outra forma, reagiriam uns com os outros; e (g) diluição dos materiais do núcleo quando apenas pequenas quantidades são necessárias para alcançar uma dispersão uniforme no material hospedeiro [17].

Nanoencapsulação geral de nanopartículas coloidais

A síntese de nanopartículas e outras nanoestruturas tem recebido atenção considerável nos últimos anos, uma vez que suas propriedades, como propriedades ópticas, mecânicas e químicas, dependem fortemente de seu tamanho, estruturas geométricas e componentes, que são bastante diferentes daqueles dos materiais a granel [ 20, 21].

Nanopartículas são partículas coloidais. Os dois tipos mais comuns de sistemas de entrega coloidal com partículas suficientemente pequenas para alcançar transparência óptica são microemulsões e nanoemulsões. Ambos os sistemas contêm pequenas partículas ( d <200 nm). Uma das principais vantagens das nanoemulsões sobre as microemulsões é que elas requerem consideravelmente menos surfactante para formá-las. As nanoemulsões de qualidade alimentar podem ser formadas por métodos de alta energia (como homogeneização de alta pressão ou sonicação) ou métodos de baixa energia (como temperatura de inversão de fase, emulsificação espontânea ou inversão de fase de emulsão) [22].

Partículas coloidais podem ser produzidas para diferentes fins, tais como aplicações em produtos metálicos [20], biomédicos [23], médicos [24], sensores [25], ópticos [25], aromatizantes, bebidas, repelentes, fragrâncias e cosméticos; usados ​​por suas propriedades medicinais [26], alimentos [22], e usados ​​em óleos essenciais (OE) para diferentes fins [27, 28].

Os sistemas de entrega coloidal, incluindo emulsões, podem ser projetados para incorporar ácidos graxos poliinsaturados (PUFA) em ambientes aquosos para melhorar a estabilidade oxidativa do sistema. A maioria desses sistemas de distribuição à base de emulsão contém partículas com dimensões semelhantes ao comprimento de onda da luz e, portanto, espalham a luz fortemente, levando a alta turbidez ou opacidade. Para certas aplicações, é vantajoso usar um sistema de distribuição transparente para que possa ser incorporado em alimentos ou bebidas opticamente transparentes, como algumas águas fortificadas, refrigerantes e temperos [22].

Em relação aos refrigerantes, Ziani et al. [29] formaram dispersões coloidais contendo óleo de limão, um surfactante não iônico (Tween 80) e um tampão (pH 2,6). Este estudo fornece informações úteis para o projeto racional de sistemas de entrega coloidal de qualidade alimentar para encapsular óleos aromáticos e outros lipídios funcionais em alimentos e bebidas.

Nanopartículas de lipídios sólidos (SLNs) ganharam atenção crescente nas indústrias farmacêutica e alimentícia por causa de sua capacidade de superar as deficiências de ambas as microcápsulas e os sistemas transportadores coloidais em nanoescala mencionados anteriormente. SLN são a última geração de sistemas de encapsulamento em nanoescala, combinando as vantagens dadas a partir das nanoemulsões líquidas ou microemulsões de altas velocidades de dissolução associadas a altas permeabilidades do composto ativo através da parede intestinal com as soluções simultâneas para os problemas existentes associados com o físico e estabilidade química do composto encapsulado e facilidade de manuseio [30].

Nanopartículas lipídicas com uma matriz de partículas sólidas são derivadas de emulsões O / W (óleo / água) pela substituição do lipídio líquido (óleo) por um lipídio sólido. Esses lipídios são geralmente lipídios fisiológicos (biocompatíveis) com baixa toxicidade [3]. Os SLNs são compostos de lipídios que são sólidos em temperatura ambiente e corporal. As principais vantagens dos SLNs são sua alta eficiência de encapsulamento, possibilidade de produção em larga escala, sua flexibilidade no perfil de liberação controlada devido à matriz sólida e sua alta capacidade de atingir o órgão alvo. Porém, os SLNs podem se cristalizar, permitindo um espaço muito pequeno para incorporação do óleo e, portanto, uma baixa capacidade de carregamento [31]. Os diâmetros das nanopartículas lipídicas podem estar na faixa entre 50 nm e 1 μm [3]. SLNs têm uma carga de encapsulamento baixa e uma possibilidade de explosão durante o armazenamento [31].

Nanocápsulas de óleo de farelo de arroz foram sintetizadas usando poli (ε-caprolactona) (PCL) como material de parede para avaliar seu efeito protetor contra lesão cutânea induzida por radiação UVB em camundongos, e os autores concluíram que nanocápsulas de farelo de arroz (200 nm, zeta potencial de - 9 mV e um baixo índice de polidispersidade (PDI) de <0,2) inibiram 60% do edema induzido pela irradiação UVB [32].

Oehlke et al. [33] prepararam SLNs com ácido ferúlico (FA) e tocoferol (Toc). As diferentes formulações, contendo até 2,8 mg g ⁻¹ de FA ou Toc, permaneceram estáveis ​​por pelo menos 15 semanas de armazenamento em temperatura ambiente. Os autores concluíram que esses SLNs são adequados como aditivos alimentares onde uma liberação gradual do composto ativo pode ser benéfica.

Tendências na nanoencapsulação de óleo

Muitas publicações dos últimos 20 anos contêm os 4 termos nanoencapsulação, nanoemulsão, nanopartícula e nanotecnologia (Fig. 1). No entanto, antes dos anos 2000, os artigos contendo esses quatro termos relativos à pesquisa em aplicações em petróleo e alimentos iniciadas no final da década de 1990 constituíam menos de 2% das publicações examinadas, tornando esse tema um pequeno setor da nanotecnologia (fig. 1).

Número de publicações de nanoencapsulação, nanoemulsão, nanopartícula e nanotecnologia por ano no banco de dados Scopus usando as seguintes palavras-chave: a nanoencapsulação, nanoemulsão, nanopartícula e nanotecnologia; b nanoencapsulação e óleo, nanoemulsão e óleo, nanopartícula e óleo, e nanotecnologia e óleo; e c nanoencapsulação e alimentos e óleo, nanoemulsão e alimentos e óleo, nanopartículas e alimentos e óleo, e nanotecnologia e alimentos e óleo

O termo nanotecnologia foi usado em muitas publicações como um termo mais geral (Fig. 2). Ao usar a combinação desses termos e “óleo” (Fig. 1b), observa-se um aumento nas publicações envolvendo o termo “nanopartículas”. O número de publicações envolvendo “nanoemulsão” e “óleos” aumentou significativamente desde 2010, seja nas áreas gerais ou relacionadas à alimentação (Fig. 1b).

Esquema das definições de nanoencapsulação comumente usadas para óleos

Embora existam muito mais publicações envolvendo "nanopartículas" e "nanotecnologia" (Fig. 1a), encapsulamento é o termo mais apropriado usado para descrever o empacotamento de substâncias em micro e nanopartículas e é definido como um processo envolvendo uma substância, referido como o “agente ativo”, dentro de outro produto referido como o “material de parede” [34,35,36].

A maioria das publicações sobre nanoencapsulação de óleo usa o termo "nanoencapsulação" [2, 37,38,39,40,41,42] ou "nanoemulsão" [10, 43,44,45,46,47,48]. Alguns autores usam o termo “nanocápsulas” [49,50,51], e outros usam “nanopartículas” [35, 41]. No entanto, ambos os termos significam originalmente "nanoencapsulação" (Fig. 2), que tem sido usada em seu sentido mais amplo, abrangendo a formação de nanocápsulas e nanopartículas [52].

O termo “nanopartícula” é um nome coletivo para nanoesferas e nanocápsulas [17]. As nanocápsulas possuem uma membrana polimérica com um núcleo líquido, na qual o composto ativo é confinado a uma cavidade que consiste em um núcleo líquido interno rodeado por uma membrana polimérica (a estrutura da casca do núcleo pode ser lipofílica ou hidrofílica) [3, 17]. Por outro lado, as nanoesferas podem ser definidas como fragmentos coloidais sólidos nos quais os compostos bioativos são difusos, capturados, encapsulados e quimicamente acorrentados ou adsorvidos na matriz polimérica. A matriz polimérica forma uma matriz porosa ou sólida, e o núcleo pode provavelmente se transformar em um material sólido dependendo da estrutura do copolímero [3, 53]. As nanopartículas são geralmente revestidas com surfactantes não iônicos para reduzir as interações imunológicas e ajudar a reduzir as interações moleculares dos grupos químicos na superfície da partícula (van der Waals, ligações de hidrogênio ou interações hidrofóbicas). A captação intracelular de nanopartículas é maior do que a de outros sistemas encapsulados. De acordo com a metodologia aplicada, as nanocápsulas podem atuar como um veículo para o material ativo retido para a membrana polimérica interna. O óleo liberado por esses sistemas pode ser transportado das nanopartículas para o tecido alvo por dessorção, difusão ou erosão [3].

A nanoemulsão é o início da nanoencapsulação, sistema formado pelas fases oleosa e aquosa e a emulsificação dessas fases por meio do uso de um emulsificante. Além disso, as nanoemulsões são formadas com tamanhos de gota pequenos e grandes áreas de superfície [10, 18, 37, 54]. Tais propriedades conferem-lhes vantagens potenciais sobre as emulsões convencionais, como boa estabilidade física e maior biodisponibilidade [10, 19].

A primeira definição de nanotecnologia foi discutida em 1959 pelo renomado físico Richard Feynman em sua palestra Há muito espaço no fundo , em que ele descreveu a possibilidade de síntese via manipulação direta do átomo. A “nanotecnologia” foi usada pela primeira vez por Norio Taniguchi em 1974. A nanotecnologia surgiu como um campo na década de 1980 e, a partir dessa época, houve um aumento nas publicações científicas e na conscientização na área; a pesquisa nessa área se intensificou na década de 2000 (fig. 1), assim como a atenção científica, política e comercial, gerando polêmica e progresso. Além disso, a comercialização de produtos com base nos avanços em tecnologias em nanoescala começou a surgir [55].

A nanotecnologia é um campo multidisciplinar que cobre uma vasta gama de materiais, processos e aplicações e abrange ciências químicas, físicas, biológicas, eletrônicas e de engenharia. Ele se concentra na fabricação, caracterização e experimento de substâncias na faixa da nanoescala, quase entre 1 e 100 nm. O tamanho mínimo de partícula, em relação à área de superfície de crescimento, exibe propriedades únicas e inovadoras e cria um vasto potencial para usos tecnológicos [55,56,57].

A nanotecnologia pode avançar estratégias para estabilidade térmica e de armazenamento, solubilidade em água e substâncias bioativas, aumentar a biodisponibilidade para uso em alimentos e melhorar as propriedades em macroescala dos alimentos, como sabor, textura, processos industriais e força de coloração [58]. As principais empresas de alimentos têm usado seus próprios departamentos de pesquisa para projetar estratégias para a aplicação de nanotecnologias em alimentos funcionais [59].

Estado atual das aplicações de nanoencapsulação de óleo

O crescimento da disciplina alimentar é quantificado na Fig. 1b, c como o número agregado de publicações contendo as palavras-chave "alimento" e "óleo" e "nanoencapsulação", "nanoemulsão", "nanopartícula" ou "nanotecnologia" em seu resumo; as informações são apresentadas em função do ano de publicação. Conforme indicado pelas tendências na Fig. 1, a maior parte do crescimento no campo da nanotecnologia de alimentos ocorreu após o ano de 2010 por causa dos numerosos estudos de nanotecnologia no final dos anos 90 e o crescimento de aditivos de grau alimentício adequados para o processo de nanopartículas. As aplicações de nanoencapsulamento de óleo da indústria estão resumidas na Tabela 1.

Atualmente, os produtos nanotecnológicos na indústria de alimentos atingem o valor de US $ 1 bilhão (consistindo principalmente de revestimentos de nanopartículas para produtos promotores da saúde, tecnologias de embalagem e rascunhos) e têm a chance de aumentar mais de US $ 20 bilhões nos próximos 10 anos . Muitas revisões mostram um excelente resumo dos grupos de pesquisa e organizações públicas e privadas que têm liderado o campo da nanotecnologia de alimentos [11, 13, 60].

Embora uma série de revisões [11, 13, 55, 60, 61] tenham discutido o investimento em nanotecnologia de alimentos e as aplicações emergentes da nanotecnologia para produção primária, não há revisões abordando a nanoencapsulação de óleo ao considerar o óleo como o material encapsulado. Além disso, existem muitas revisões sobre aplicações de nanotecnologia [13, 53, 55, 61,62,63,64,65,66,67,68], e a maioria delas enfoca nanotecnologia em aplicações alimentícias [13, 52, 55, 61,62,63,64,65,66,67,68].

Na indústria de alimentos, o processo de microencapsulação pode ser usado por uma variedade de razões, que foram resumidas por Desai e Park [4] como segue:(a) o material do núcleo é protegido da degradação reduzindo suas respostas ao ambiente externo; (b) a evaporação ou taxa de transferência do material principal para o ambiente externo é diminuída; (c) as características físicas do material original são modificadas para permitir um manuseio mais fácil; (d) a liberação do material do núcleo é adaptada para ocorrer lentamente ao longo do tempo ou em um determinado momento; (e) os sabores ou gostos indesejados do material do núcleo são mascarados; (f) dispersão igual no material de detentor é alcançada; e (g) os componentes da mistura que de outra forma reagiriam uns com os outros são separados. Essas aplicações também são adequadas para nanoencapsulação de óleo. Ricaurte et al. [10] e Campo et al. [37] estudaram o óleo de palma com alto teor de óleo (HOPO) e o óleo de semente de chia com diferentes objetivos. O primeiro estudo teve como objetivo encontrar as condições de microfluidização, formação e armazenamento mais favoráveis ​​para as nanoemulsões obtidas de HOPO e o segundo estudo prometeu alternativas para proteger o óleo contra a oxidação de lipídios e melhorar a solubilidade e estabilidade (Tabela 1).

Cushen et al. [9] afirma que a afirmação acima de que a microencapsulação de alimentos está bem estabelecida; óleo de peixe microencapsulado foi aplicado em pães para benefícios funcionais saudáveis. O processo de microencapsulação mascara o sabor desagradável do óleo de peixe, e esse pão já é viável no mercado. A nanoencapsulação e adição de compostos na indústria de alimentos é uma progressão lógica da tecnologia [2, 68]. Além disso, as reações de oxidação, os principais processos de deterioração de gorduras, óleos e alimentos à base de lipídios, resultam em diminuição do valor nutricional e da qualidade sensorial, e a nanoencapsulação de óleo promove a redução da oxidação por meio da formação de barreiras protetoras formadas durante o processo de nanoencapsulação, como afirmado anteriormente [2].

Em sua revisão, Walker, et al. [47] destacou a promessa do uso de nanoemulsões para o encapsulamento, segurança e liberação de ácidos graxos ômega-3. Esses sistemas de transporte podem ser usados ​​na indústria de alimentos em bebidas com esses lipídios bioativos e para fortificar alimentos, ou podem ser usados ​​na indústria de suplementos ou farmacêutica para aumentar a bioatividade de composições funcionais de ácidos graxos ômega-3.

Sozer e Kokini [67] simplificaram o uso da nanotecnologia nas indústrias de alimentos e embalagens de alimentos. Os tipos de benefícios alimentares incluíam proteção contra a oxidação; liberação controlada de ingredientes encapsulados (umidade ou pH); disfarce de teste; entrega de substâncias nutritivas nanoencapsuladas, vitaminas e sabores; detecção de patógenos em sistemas alimentares; segurança alimentar; e análise de qualidade. Algumas aplicações de embalagens de alimentos incluíram embalagens aprimoradas (barreiras de gás e umidade, resistência à tração); extensão da vida de prateleira por meio de embalagem ativa, nano aditivos, embalagem inteligente, fornecimento de nutracêuticos e liberação controlada; efeitos antibacterianos de embalagens autolimpantes; e monitoramento da condição do produto durante o transporte. As aplicações em embalagens de alimentos são consideradas altamente promissoras porque podem aumentar a segurança e a qualidade dos produtos alimentícios. Essas aplicações incluem embalagens inteligentes, capazes de interagir com o produto alimentício. No entanto, para aplicação de nanoencapsulação de óleo na indústria de alimentos, óleo de peixe é normalmente usado, e o objetivo da nanoencapsulação é principalmente proteger o óleo da oxidação de lipídios para fortificação de alimentos [34, 38, 40].

Como pode ser visto, o óleo de peixe é o óleo mais utilizado tanto na micro quanto na nanoencapsulação. É uma fonte de insaturados e PUFA. Os humanos podem produzir a maioria dos ácidos graxos. No entanto, os ácidos graxos ômega-6 (n-6) e ômega-3 (n-3), essenciais na nutrição humana, não podem ser sintetizados pelo organismo humano. Assim, os humanos têm que adquiri-los dos alimentos. A ingestão de óleos vegetais (óleos comestíveis), incluindo PUFA, está relacionada a uma baixa incidência de doenças crônicas, como distúrbios cardiovasculares ou neurológicos, e uma diminuição nas taxas de câncer [3, 69].

Os óleos bioativos costumam ser aplicados por suas propriedades nutricionais, mas um dos principais problemas em relação ao seu uso é a perda de componentes ativos durante o armazenamento [70]. Isso ocorre porque os óleos bioativos contêm PUFA e outras substâncias (xantofilas, esteróis, carotenóides, monoterpenos, flavonóis, etc.) sensíveis ao oxigênio, umidade, calor e luz [71]. Os produtos formados em óleos oxidados incluem várias espécies de radicais livres, produtos de oxidação primária, como hidroperóxidos lipídicos, e produtos de oxidação secundária, como hidrocarbonetos, aldeídos, epóxidos e cetonas. Alguns desses produtos podem afetar negativamente os tecidos biológicos [72]. Por causa dessa oxidação, as propriedades e o valor nutricional do óleo são perdidos, resultando em um sabor e odor desagradáveis ​​[3].

Os outros compostos ativos nesses óleos podem exibir propriedades antioxidantes, antiinflamatórias, antivirais, antibacterianas, anticâncer e / ou regenerativas de tecidos [73]. Os polifenóis e tocoferóis em óleos exibem uma importante atividade antioxidante. Portanto, as características e a composição dos antioxidantes variam de acordo com o tipo de óleo. Conseqüentemente, os óleos de semente de oliva, girassol, argão e uva contêm alto teor de compostos antioxidantes [72]. Além disso, a presença de compostos lábeis como esteróis, carotenóides, xantofila, flavonóis e monoterpenos também contribui para o valor nutricional e propriedades de saúde de um óleo [3].

Além disso, os OE são produtos vegetais comuns compostos de misturas de materiais biologicamente ativos e fornecem compostos potencialmente bioativos e novos modelos de moléculas [74, 75]. Os EOs são compostos de metabólitos secundários voláteis com atividades antifúngicas, antibacterianas, antioxidantes, antiinflamatórias, antivirais e anticâncer [76]. A eficiência do OE depende de sua composição química, genótipo e condições ambientais e agronômicas [77]. Alguns exemplos desses óleos são óleo de tomilho, lavanda, hortelã-pimenta, canela, árvore do chá, alecrim, eucalipto e capim-limão, bem como alguns outros. Foi demonstrado que esses óleos exibem propriedades antimicrobianas, mas são extremamente vulneráveis ​​à oxidação [15, 27, 78].

Os OE são classificados como moléculas bioativas naturais consideradas adequadas para uso na inibição do crescimento de patógenos de origem alimentar. No entanto, a incorporação direta de OE aos alimentos apresenta desafios tecnológicos devido à alta volatilidade de alguns constituintes do OE, à dificuldade de incorporação do OE em formulações aquosas e à possibilidade de mudanças drásticas nas propriedades sensoriais dos produtos alimentícios. Dentre os componentes que apresentam atividade antimicrobiana, orégano, carvacrol, timol e γ-terpineno têm sido usados ​​em alimentos.

Alguns óleos essenciais têm sido usados ​​para melhorar a qualidade microbiana, sensorial e química de alimentos como carne, frango e sucos de frutas [28, 79,80,81]. Ghaderi-Ghahfarokhi et al. [28] óleo essencial de tomilho nanoencapsulado e usado em hambúrguer de carne. Eles observaram que o processo de encapsulamento melhorou a vida útil do óleo essencial de tomilho e minimizou a vaporização dos compostos ativos no início do armazenamento. Além disso, a liberação lenta do óleo essencial de tomilho durante o armazenamento poderia manter, ou mesmo aumentar, a atividade antioxidante e antimicrobiana do óleo até o final do armazenamento refrigerado. Além disso, houve mudanças positivas na vermelhidão e no conteúdo de oximioglobina do hambúrguer em comparação com os controles, e o óleo essencial de tomilho livre melhorou a aceitabilidade e a qualidade sensorial dos hambúrgueres de carne bovina.

Existem estudos que usaram óleos essenciais em alimentos como conservantes naturais para melhorar a segurança e qualidade alimentar, substituindo os conservantes alimentares sintéticos prejudiciais [49, 82]. Herculano et al. [82] encapsulou o eucalipto e determinou as ações antimicrobianas das nanopartículas carregadas em Listeria monocytogenes e Salmonella enteritidis bactérias. Os autores observaram que a ação bactericida das nanopartículas foi mais eficaz contra bactérias gram-positivas do que gram-negativas, pois o óleo nanoencapsulado exibiu maior atividade contra S . enteritidis ; essas nanopartículas podem ser utilizadas em alimentos para preservação natural.

A goma de caju (CG), cuja estrutura se assemelha à goma arábica, é um heteropolissacarídeo extraído do exsudato de Anacardium occidentale , uma árvore comum na região nordeste do Brasil. A goma de caju é capaz de interagir com a água e, portanto, agir como um estabilizador, emulsificante e adesivo, podendo ser um bom substituto para a goma arábica, que é mais cara. CG foi usado por Herculano et al. [82] para encapsular Eucalyptus staigeriana óleo essencial (ESO), e o diâmetro (nm) e potencial zeta (mV) das cápsulas da formulação foram, respectivamente, F1:153,80 ± 8,20 e - 24,50 ± 0,45; F2:27,70 ± 3,42; - 14,47 ± 1,42 e F3:432,67 ± 41,47; - 10,45 ± 0,21. Essas formulações foram compostas por F1:CG:ESO =2:1; ESO:Tween 80 =2:1; F2:CG:ESO =4:1; ESO:Tween 80 =2:1; F3:CG:ESO =2:1; ESO:Tween 80 =1:1. As amostras F1 e F2 apresentaram distribuição unimodal, enquanto F3 apresentou distribuição bimodal (nano e micropartículas).

Métodos de nanoencapsulação aplicados em diferentes óleos

In this review, 11 studies that used nanoencapsulated oils in the food industry were analyzed [10, 16, 35, 37, 38, 83,84,85,86,87], and 1 figure, Fig. 3 was made that describes the technologies, nanoencapsulated oils, and wall materials used. Generally, there are many methodologies for the production of nanocapsules containing oils, such as emulsion-diffusion [16, 38, 85], emulsification-solvent evaporation [83], high-shear emulsification [10, 87], spontaneous emulsification [84, 88], homogenization [37], spray drying [35], and the emulsion supercritical fluid extraction process [86] (Fig. 3a). In general, the techniques are similar, with some particular similarities between each of them.

Proposal and techniques (a ), employed oils (b ), and wall materials (c ) of some studies using oil nanoencapsulation in food

In emulsion-diffusion, an emulsion is produced after a dilution causes the deposition of a polymer around the droplets, whereas in emulsification-solvent evaporation, an emulsion is formed with a polymer solution and an aqueous phase. The solvent is evaporated at the end of both techniques. High-shear homogenization, or microfluidization, is a kind of high-energy emulsification which uses microfluidizers to create mechanical shear. This equipment works by dividing a liquid jet into two parts. Every part passes through a narrow opening. Normally, emulsions with a diameter greater than 1 μm are first formed by other methods, after which their sizes are then reduced in a microfluidizer [3].

Spontaneous emulsification, or low-energy emulsification or self-emulsification, is a process which depends on different variables:interfacial and bulk viscosity, interfacial tension, phase transition region, and surfactant structure and concentration because the emulsion is formed spontaneously as a result of the low interfacial tension from high surfactant levels. In the homogenization (nonspecific name) technique, the emulsion is composed of an organic phase, which has a surfactant, organic solvent and oil, and of an aqueous phase, which is composed of water and a polymer. The organic phase is added dropwise to an aqueous solution. Then, the solvent is removed by a vacuum process [37].

The spray dryer technique is based on dissolving or dispersing the active ingredient in a biopolymer solution. Then, the dispersion is atomized in a heated air chamber that rapidly removes the solvent and produces a dried particle consisting of the active ingredient embedded in a porous wall material [31]. The supercritical fluid extraction of emulsions (SFEE) technique is based on the use of supercritical carbon dioxide (CO₂ ) to rapidly extract the organic solvent from an oil-in-water emulsion, in which a bioactive compound and its coating polymer have been previously dissolved. By removing the solvent, both compounds precipitate, generating a suspension of particles in water [86].

In addition to that in oil microencapsulation, the oil usually used in nanoencapsulation is fish oil [16, 35, 38, 86] (Fig. 3b). However, sunflower oil [85], roasted coffee oil [83], HOPO [10], thyme oil [87], garlic essential oil [84], rice bran oil [88], and chia oil [37] are also used (Fig. 3b).

Oil nanocapsules have been produced with the application of different wall materials (Fig. 3c), depending on the usage and kind of oil to be nanoencapsulated. Unlike oil microencapsulation, oil nanoencapsulation does not usually involve wall material mixtures. Usually, the wall material is used alone because the particles formed must have a size of 1000 nm, and, as there is a larger contact surface, the fewer the compounds in the nanocapsule formulation the better the interaction is among the compounds, ultimately favoring the particle size.

The wall materials most used in the techniques are biodegradable polymers. Some usual wall materials used in oil nanoencapsulation are polycaprolactone [16, 38, 86, 88], whey protein [10, 35], sodium caseinate [87], chia seed mucilage [37], maltodextrin, or modified starch [35] (Fig. 3c). Some authors did not report the wall material used in their study [88], probably because of the spontaneous emulsification technique that was employed.

Wall material is chosen according to the size of the required nanoparticles, aqueous solubility and stability, and other factors. Among polymers, most of the wall material utilized is poly(ε-caprolactone) (PCL). PCL is a polymer obtained through the ring-opening polymerization of the cyclic monomer Ɛ-caprolactone utilizing cationic or anionic, coordination, or the radical catalysts mechanism. This polymer is semicrystalline, and its crystallinity is directly associated with its molecular weight. It is soluble in inorganic solvents and has a good blend compatibility that provides a transformation of chemical properties, such as solubility and porosity, and it presents a low melting point (59–64 °C). Furthermore, PCL is a synthetic, biocompatible, and fully biodegradable polymer that has a semi crystalline nature (glass transition temperature of 213 K). It is approved for drug delivery by the Food and Drug Administration (FDA). Due to its slow degradation, PCL is ideally suited for long-term delivery or when a targeted delivery to the intestinal tract is intended. PCL has a high hydrophobicity, high in vitro stability, and low cost [87]. Usually, PCL is utilized in the emulsion-diffusion method and supercritical fluid extraction of emulsions, especially for fish oil encapsulation [16, 86].

Whey protein may also be applied to nanoencapsulate bioactive compounds such as oils because of its functional characteristics, such as its surface activity, gelation, shielding, and protective properties, e.g., biocompatibility and biodegradability [58]. Ricaurte et al. [10] applied HOPO and obtained nanocapsules with whey protein from microfluidization, confirming that this methodology was able to create stable nanocapsules with a diameter of 163 nm.

After synthesis, the basic characterization of the oil nanoparticles is determined by important parameters, such as the size, polydispersity index (PDI), and zeta potential. The size and size dispersion of nanocapsules are important because of their ability to transform the physicochemical and pharmaceutical behaviors of the encapsulated ingredients [58].

Nanoparticle size, also named the mean diameter or z-average, may be established by several methods, such via laser diffraction (LD) and a Coulter counter; however, the most applied technique is dynamic light scattering (DLS) [58, 89], which allows the description of particle size distribution and destabilization phenomena. Nevertheless, it is not very precise when used with large size differences; it is noted that particles larger than 1 μm will be subject to gravitational movement in addition to Brownian motion, which makes this technique suitable for the characterization of particles only < 1 μm.

For nanoencapsulated oils, the diameter size is usually between 100 and 1000 nm [10, 16, 35, 37, 38, 83, 85, 87] or less than 100 nm [84, 86,87,88]. Diameters larger than 1000 nm were found by Ricaurte et al. [10]; those authors reported diameters between 163 and 2268 nm using the microfluidization method and whey protein as a wall material in the nanoencapsulation of HOPO.

Size dispersion is indicated as the PDI, an index that describes the particles uniformity in suspension; PDI values between 0.1 and 0.25 [10, 38, 87, 88] indicate a small size distribution, and PDI values higher than 0.5 indicate a broad distribution [50]. Although some authors, such as Choi et al. [16], Campo et al. [37], and Jafari et al. [35], did not report PDI, it is a good parameter for characterizing nanoparticles when used with particle size and zeta potential. Campo et al. [37] did not perform PDI analysis, but they found a bimodal figure in one of the diameter size results, suggesting the presence of nano and microparticles; if PDI was performed, the values would likely be greater than 0.25.

Zeta potential is a physical characteristic that is shown by particles in suspension, macromolecules, or substance surfaces; it corresponds to the nanoparticle’s electrical potential, as influenced by the nanocapsule ingredients and the medium in which they are distributed. This parameter is widely applied to indicate suspension stability in colloidal dispersions, where zeta potential values higher than 30 mV and lower than − 30 mV promote high stability and prevent particles aggregation [90]. The majority of the studies examined here obtained results between these values (30 mV and − 30 mV) [10, 37, 38, 84, 85]. Some authors, such as Choi et al. [16], Freiberger et al. [83], Bernardi et al. [88], Jafari et al. [35], and Pietro and Calvo [86], did not report the zeta potential.

For nanoencapsulated oils, the zeta potential is usually variable because of wall material characteristics. Campo et al. [37] obtained a zeta potential of − 11.58 ± 1.87 mV for encapsulated chia oil with chia seed mucilage as wall material. Nanoparticles of anionic gums, such as chia seed polysaccharide and cashew gum, can present negative zeta potential due to the presence of carboxylic acids groups in the carboxylate form (-COO-) that generates negative charges [82].

Another important analysis for the characterization of nanoparticles is Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), which is a technique used to obtain an infrared spectrum of the absorption or emission of a solid, liquid or gas. An FTIR spectrometer simultaneously collects high spectral resolution data over a wide spectral range. This provides a significant advantage over a dispersive spectrometer, which measures intensity over a narrow wavelength range. FTIR is a less intuitive way to obtain the same information. Usually, oil nanoparticles are used in the transmittance mode, operating with wavelengths between 400 and 500 and 4000 cm ⁻¹ and a resolution of 4 cm ⁻¹ [37, 84, 91].

Based on FTIR analysis, it is possible to physically perceive the interactions that take place between the nanoparticle components; for example, the FTIR results of nanoencapsulated garlic essential oil showed the characteristic Tween 80 (the emulsifier used) peaks. This phenomenon could be related to coverage in the garlic oil nanoemulsion spectrum due to the stretching vibration of the extracted garlic bands. The band at 1325–1450 cm ⁻¹ showed the presence of S=O, and the band at 1675–1600 cm ⁻¹ showed a -C-C=C symmetric stretch, both of which are present in garlic EO compounds [84].

Incorporation of Nanoencapsulated Oils into the Food Market and Patent Application

According to the House of Lords [92], food currently contains structures at the micro and nanoscale. Fruit juice is composed by plant material that was built from nanoscale ingredients, while Bailey’s Irish Cream contained nanoemulsions with an average droplet size of 190 nm. Margarine had water droplets smaller than 10 μm across, with even smaller fat crystals interspersed in them. The naturally occurring nanomaterials found in food ranged from particles smaller than 100 nm found in drinks such as tea, beer, and coffee to protein structures of approximately 300 nm found in eggs or soy to larger oil particles of approximately 800 nm found in substances such as milk. All fresh and processed food was structured at the nanoscale, and consequently, the body evolved over time to deal with nanoscaled materials.

Few studies have been performed on the incorporation of nanotechnology incorporation into trade [65]. Furthermore, no products that contained oil nanoencapsulation were found in the market. However, there are numerous oil microencapsulation products that can be found in trade, and there is an article that highlights this information [93]. This finding may be attributed to the fact that, in general, nanotechnology is relatively new, and it is a relatively complex technology to employ. However, it is possible to notice some similarities between the methods used for the micro and nanoencapsulation of oils. In addition, the regulation gap in nanotechnology raises some uncertainties about the use of this technology in the market.

Concerning nanotechnology regulation, there are a number of ongoing EU research projects aimed at addressing all aspects of nanosafety, including toxicology, ecotoxicology, risk assessment, exposure assessment, mechanisms of interaction, and standardization. Examples of ongoing EU projects include the NanoLyse project, which is dedicated to the development of analytical tools for the detection and characterization of engineered nanoparticles in food, and the NanoReTox project, which seeks to address the human health and environmental implications of exposure to engineered nanoparticles [94]. However, regulatory institutions such as the Environmental Protection Agency (EPA) and the Food and Drug Administration (FDA) in the USA or the Health and Consumer Protection Directorate of the European Commission have started addressing the potential risks posed by nanoparticles. So far, neither engineered nanoparticles nor the products and materials that contain them are subject to any special regulation regarding production, handling, or labeling.

Although there is no specific nanoparticle regulation, there are some food industry patent documents deposited in different countries. WO2018029626, a patent application from Argentina, focused on chia oil with an edible nanoemulsion. It described a chia oil nanoemulsion comprising between 10 and 20% of chia oil (Salvia hispanica L. ), between 2 and 5% of polysorbate, between 0.5 and 5% of at least one emulsifier other than the polysorbate, between 0.05 and 0.2% of at least one antioxidant, and water. Formulations of edible chia oil nanoemulsions used in transparent drinks and desserts, such as juices and jellies, were disclosed [95]. A patent application from the Republic of Korea, KR20160005182, focused on cinnamon oil nanoemulsions to inhibit the development and increase of dangerous food microorganisms. Furthermore, this invention could not only be used for food additives, food packaging materials, preservatives, etc. but also be utilized in the pharmaceutical and cosmetic industries [96]. A mustard oil nanoemulsion application patent from China, CN103315956, was prepared to alleviate the pungent smell of mustard oil to avoid volatilization, and the mustard oil may be used for bacterial resistance in food and drugs [97]. Wang Weichun Feng Wei submitted an application patent from China, CN103750050, describing a palm oil nanoemulsion that solved the problems of high grease costs, low absorption rates, low oil content in the existing prepared palm oil nanoemulsions, large granularity, poor stability, long production periods, high equipment investments, and high production costs in existing young animal feeds. The palm oil nanoemulsion was prepared by mixing an emulsifier with palm oil, cutting and emulsifying the mixture, and ultrasonically performing cell breaking in the mixture. The process was simple, the entire reaction process was easily controlled, the entire process production period was short, the equipment investment and production costs were low, the oil content of the produced nanoemulsion was high, the distribution granularity was small, the stability was good, and the digestion by livestock increased [98].

There is a growing trend of oil nanoencapsulation patent applications, indicating that many innovations have been made and attesting to the technology the global market.

Conclusão

Nanoencapsulation is well-established for oil preservation. It offers a plethora of advantages, including the effective protection of the encapsulated oil against degradation, the possibility of accurate control of the oil release, easy administration, and avoidance of the evaporation of the volatile components. Moreover, nanoencapsulation may be achieved by a variety of techniques. Technique selection will depend on the physicochemical characteristics of the active compounds, the processing conditions, particle size and density necessary to incorporate the oil properly into the final product, the mechanism of release, and the cost constraints. Although there currently are not many oil nanoencapsulation products in the food market, there is no doubt that if boosted by recent remarkable scientific advances, new approaches in oil nanoencapsulation will soon be considered in the application of oils in food additives and nutritional supplements, and patents application will continue to increase.

Abreviações

CG:

Cashew gum

CO₂ :

Carbon dioxide

DHA:

Docosahexaenoic acid

DLS:

Espalhamento de luz dinâmico

EOs:

Essential oils

EPA:

Eicosapentaenoic acid

ESO:

Eucalyptus staigeriana óleo essencial

FA:

Ferulic acid

FDA:

Food and Drug Administration

FTIR:

Espectroscopia infravermelha com transformada de Fourier

HOPO:

High-oleic palm oil

LD:

Laser diffraction

n-3:

Omega-3 fatty acids

n-6:

Omega-6 fatty acids

PCL:

Poly(ε-caprolactone)

PDI:

Polydispersity index

PUFA:

Polyunsaturated fatty acids

SFEE:

Supercritical fluid extraction of emulsions

SLN:

Solid lipid nanoparticles

Toc:

Tocopherol

US EPA:

United States Environmental Protection Agency

UV:

Ultraviolet radiation

Preparação de lipossomas de ácido glicirretínico usando método de solução monofásica de liofilização:pré-formulação, otimização e avaliação in vitro Reologia Tunable Induzida por Anion Hofmeister de Hidrogéis Supramoleculares de Autocura