Olie-nano-inkapseling:ontwikkeling, toepassing en integratie in de voedselmarkt

Inleiding

Oliën spelen een belangrijke rol in de menselijke voeding. Naast het leveren van calorieën, fungeren ze als een drager voor in vet oplosbare vitamines, zoals A, D, E en K. Oliën zijn ook bronnen van essentiële vetzuren, zoals linolzuur, linoleenzuur en arachidonzuur, en ze dragen bij naar de smakelijkheid van het eten. De meest expressieve oliecomponenten zijn triglyceriden, en de fysische eigenschappen van deze triglyceriden hangen af ​​van de structuur en verdeling van de aanwezige vetzuren [1,2,3,4].

Ongeveer 90% van de olieproductie is van plantaardige oorsprong afkomstig van de verwerking van zaden en is bestemd voor menselijke consumptie. In de industrie is de marktvraag toegenomen naar oliën uit een breed scala van natuurlijke bronnen, met name in voedseltoepassingen voor de formulering van producten zoals cakes, koekjes, brood, margarines en zuivelproducten en voor gebruik in gefrituurde producten, onder andere toepassingen [5, 6].

De overige 10% van de olieproductie is bestemd voor de productie van diervoeder en gebruik in verschillende industriële processen, zoals grondstoffen voor de productie van fungiciden, zepen, detergenten, zepen, biologisch afbreekbare weekmakers, cosmetica en biodiesel [5].

Gezien het nutritionele en economische belang van eetbare oliën, is er de laatste jaren een groeiende belangstelling voor de modificatietechnologieën van deze oliën. Modificatietechnologieën zijn in toenemende mate bestudeerd om de eigenschappen van de oliën te veranderen en ze geschikt te maken voor bepaalde toepassingen. Onderzoekers hebben verschillende technologieën gevonden om de voedselkwaliteit en -veiligheid te verbeteren. De betrokkenheid van nanotechnologie in de voedingsindustrie heeft geleid tot de productie van voedsel met een betere thermische stabiliteit, betere oplosbaarheid en nieuwe, hogere niveaus van orale biologische beschikbaarheid [7].

Er is gesuggereerd dat nanotechnologie een positieve invloed heeft op het gebied van voedingswetenschap door de houdbaarheid van voedingsproducten te verlengen, betere methoden voor het volgen en opsporen van verontreinigingen mogelijk te maken, verbeterde strategieën voor voedselopslag te creëren en de opname van gezondheidssupplementen of antibacteriële middelen in voedsel te bevorderen. Nanotechnologie levert dus inderdaad een grote bijdrage aan de voedingswetenschap [7].

Nanotechnologie is een van de meest veelbelovende technologieën geworden om een ​​revolutie teweeg te brengen in de conventionele voedingswetenschap en de voedingsindustrie. Door nanotechnologie ondersteunde verwerking en verpakking heeft het belang van nanotechnologie in voedselsystemen bewezen. Verschillende bereidingstechnologieën kunnen nanodeeltjes produceren met verschillende fysische eigenschappen; dus zouden deze deeltjes in voedsel kunnen worden gebruikt [8, 9].

Inkapseling is een proces waarbij bioactieve lipidedruppeltjes worden teruggewonnen door een korst of ingesloten in een heterogene of homogene matrix om kleine capsules [3] van nanoschalen [10] te maken met een grootte van minder dan 1000 nm, waarbij een nanometer een miljardste van een meter is [ 11]; inkapseling heeft veel nuttige eigenschappen [3]. Volgens Gonnet et al. [12], is inkapseling een mogelijke benadering om de natuurlijke/inheemse olie-eigenschappen in de loop van de tijd te behouden. De klassieke systemen die zijn ontwikkeld in nano- of micro-inkapseling zijn gebaseerd op reservoir- of matricidedeeltjes.

Naast de voordelen ervan, wordt nano-inkapseling gekenmerkt door het verbeteren van de biologische beschikbaarheid van de ingekapselde werkzame stof en deze te beschermen tegen natuurlijke en verwerkingseffecten, zoals de chemische effecten [13, 14], enzymatische effecten en fysieke instabiliteit die worden waargenomen tijdens de verwerking van functionele , nutraceutische [13], farmaceutische en cosmetische [3] producten [10]. Inkapseling is ook een middel om de biologische efficiëntie te verbeteren, zoals controle van de afgifte van actieve componenten en houdbaarheid, en kan het optreden van bijwerkingen voorkomen [12].

Inkapseling van olie kan oxidatiereacties voorkomen of vertragen, aangezien deze systemen een fysisch-chemische barrière kunnen vormen tegen pro-oxidante elementen zoals zuurstof, vrije radicalen of ultraviolette straling (UV) [12, 15] en het scala aan voedselproducten die bedoeld zijn voor verrijkingsdoeleinden. Inkapseling van bioactieve olie, bijvoorbeeld, vertegenwoordigt een efficiënte, haalbare benadering bij de wijziging van de olieafgifte, de bescherming tegen oxidatiereacties in de omgeving, een toename van de fysieke stabiliteit, een afname van de vluchtigheid, een afname van de toxiciteit, een verbetering van de biologische activiteit en een verbetering van de therapietrouw en het gemak van de patiënt [3]. Met name in de voedingsindustrie verbetert deze technologie de eigenschappen van bewerkte voedingsmiddelen, zoals smaakbehoud, antioxidatie, houdbaarheid, kleur en onaangename geur; verlengt de bewaartijd van voedselproducten; en beschermt ingrediënten tegen de omgeving, vermindert smaakverlies tijdens conservering en controleert de afgifte van bioactieve stoffen [16].

Voor inkapseling worden veel technieken toegepast. In het algemeen worden drie methoden gebruikt bij het inkapselen van bioactieve middelen:(a) er wordt een barrièrestructuur gecreëerd rond het ingekapselde middel; (b) besmet materiaal wordt de toegang geweigerd; en (c) ingekapselde middelen zijn ingericht voor bescherming tegen ongewenste schade [17].

In veel gevallen begint nano-inkapseling met de productie van nano-emulsies, dit zijn systemen die worden gevormd door olieachtige en waterige fasen; nano-inkapselingen worden geëmulgeerd door het gebruik van, in de meeste gevallen, emulgatoren. Bovendien worden nano-emulsies gevormd met kleine druppelgroottes en grote oppervlakten [18]. Dergelijke eigenschappen geven ze potentiële voordelen ten opzichte van conventionele emulsies, zoals een goede fysieke stabiliteit en een hogere biologische beschikbaarheid [19]. Sommige technieken die zijn bestudeerd voor het verkrijgen van olie-nano-emulsie en olie-nano-inkapseling omvatten nanoprecipitatie, sproeidrogen, ionische gelering, grensvlakafzetting van het voorgevormde polymeer, emulsie-diffusie, emulgering-oplosmiddelverdamping, het gebruik van liposomen, homogenisatie onder hoge afschuiving (microfluïdisatie), spontane emulgering , en nanogestructureerde lipidedragers (NLC's).

Het doel van deze studie is om de potentiële en huidige toepassingen van olie-inkapseling in de voedingsindustrie in kaart te brengen, de belangrijkste voordelen en kansen voor innovatie te illustreren en ook toekomstige uitdagingen in overweging te nemen, waaronder huidige producten op de voedselmarkt en octrooiaanvragen. Nieuwe nano-ingekapselde olieproducten en octrooiaanvragen zijn veelbelovend voor het gebruik van olie in verschillende industriële sectoren. Verder kan micro- en nano-inkapseling (a) een verlaging van de verdamping of overdrachtssnelheid van het kernmateriaal naar de buitenomgeving bevorderen; (b) bescherming van het kernmateriaal tegen degradatie door een vermindering van de reactiviteit op de buitenomgeving; (c) controle van de snelheid van afgifte van kernmateriaal, hetzij langzaam in de tijd of op een bepaald tijdstip; d) wijziging van de fysieke kenmerken van het oorspronkelijke materiaal om het hanteren te vergemakkelijken; (e) het maskeren van een ongewenste smaak of smaak van het kernmateriaal; (f) scheiding van de mengselcomponenten die anders met elkaar zouden reageren; en (g) verdunning van kernmaterialen wanneer slechts kleine hoeveelheden nodig zijn om uniforme dispersie in het gastheermateriaal te bereiken [17].

Algemene nano-inkapseling van colloïdale nanodeeltjes

De synthese van nanodeeltjes en andere nanostructuren heeft de afgelopen jaren veel aandacht gekregen omdat hun eigenschappen, zoals optische, mechanische en chemische eigenschappen, sterk afhangen van hun grootte, geometrische structuren en componenten, die behoorlijk verschillen van die van bulkmaterialen [ 20, 21].

Nanodeeltjes zijn colloïdale deeltjes. De twee meest voorkomende typen colloïdale afgiftesystemen met voldoende kleine deeltjes om optische transparantie te bereiken, zijn micro-emulsies en nano-emulsies. Beide systemen bevatten kleine deeltjes (d < 200 nm). Een van de belangrijkste voordelen van nano-emulsies ten opzichte van micro-emulsies is dat ze aanzienlijk minder oppervlakteactieve stof nodig hebben om ze te vormen. Nano-emulsies van voedingskwaliteit kunnen worden gevormd door methoden met hoge energie (zoals homogenisatie onder hoge druk of sonicatie) of methoden met lage energie (zoals fase-inversietemperatuur, spontane emulgering of emulsiefase-inversie) [22].

Colloïdale deeltjes kunnen voor verschillende doeleinden worden geproduceerd, zoals toepassingen in metaal [20], biomedische [23], medische [24], sensor [25], optica [25], smaakstoffen, dranken, afweermiddelen, geur- en cosmetische producten; gebruikt voor hun geneeskrachtige eigenschappen [26], voedsel [22], en gebruikt in essentiële oliën (EO's) voor verschillende doeleinden [27, 28].

Colloïdale afgiftesystemen, inclusief emulsies, kunnen worden ontworpen om meervoudig onverzadigde vetzuren (PUFA's) in waterige omgevingen op te nemen om de oxidatieve stabiliteit van het systeem te verbeteren. De meeste van deze op emulsie gebaseerde afgiftesystemen bevatten deeltjes die afmetingen hebben die vergelijkbaar zijn met de golflengte van licht, en daarom verstrooien ze het licht sterk, wat leidt tot hoge troebelheid of ondoorzichtigheid. Voor bepaalde toepassingen is het voordelig om een ​​transparant afgiftesysteem te gebruiken, zodat het kan worden verwerkt in optisch heldere voedsel- of drankproducten, zoals sommige verrijkte wateren, frisdranken en dressings [22].

Met betrekking tot frisdranken, Ziani et al. [29] vormde colloïdale dispersies die citroenolie, een niet-ionische oppervlakteactieve stof (Tween 80) en een buffer (pH 2,6) bevatten. Deze studie biedt nuttige informatie voor het rationele ontwerp van colloïdale toedieningssystemen van voedingskwaliteit voor het inkapselen van smaakoliën en andere functionele lipiden in voedingsmiddelen en dranken.

Vaste lipide-nanodeeltjes (SLN's) hebben meer aandacht gekregen in de farmaceutische en voedingsindustrie vanwege hun vermogen om de tekortkomingen van zowel microcapsules als de eerder genoemde colloïdale dragersystemen op nanoschaal te overwinnen. SLN zijn de nieuwste generatie inkapselingssystemen op nanoschaal, die de voordelen combineren van de oorspronkelijke vloeibare nano-emulsies of micro-emulsies met hoge oplossnelheden geassocieerd met hoge permeabiliteiten van de actieve verbinding door de darmwand met de gelijktijdige oplossingen voor de bestaande problemen in verband met de fysieke en chemische stabiliteit van de ingekapselde verbinding en het gebruiksgemak [30].

Lipidenanodeeltjes met een vaste deeltjesmatrix zijn afgeleid van O/W (olie/water) emulsies door vervanging van het vloeibare lipide (olie) door een vast lipide. Deze lipiden zijn meestal fysiologische lipiden (biocompatibel) met een lage toxiciteit [3]. SLN's zijn samengesteld uit lipiden die vast zijn bij kamer- en lichaamstemperatuur. De belangrijkste voordelen van SLN's zijn hun hoge inkapselingsefficiëntie, mogelijkheid bij grootschalige productie, hun flexibiliteit in het profiel van gecontroleerde afgifte vanwege de vaste matrix en hun hoge vermogen om het doelorgaan te bereiken. SLN's kunnen echter kristalliseren, waardoor een zeer kleine ruimte voor olie-opname mogelijk is en dus een lage laadcapaciteit [31]. De diameters van lipidenanodeeltjes kunnen tussen 50 nm en 1 μm liggen [3]. SLN's hebben een lage inkapselingsbelasting en explosiegevaar tijdens opslag [31].

Nanocapsules van rijstzemelenolie werden gesynthetiseerd met behulp van poly (ε-caprolacton) (PCL) als wandmateriaal om hun beschermende effect tegen door UVB-straling geïnduceerde huidbeschadiging bij muizen te evalueren, en de auteurs concludeerden dat nanocapsules van rijstzemelen (200 nm, potentiële zeta van −) 9 mV en een lage polydispersiteitsindex (PDI) van <-0,2) remden 60% van het oedeem veroorzaakt door UVB-straling [32].

Oehlke et al. [33] bereidde SLN's met ferulazuur (FA) en tocoferol (Toc). De verschillende formuleringen, met maximaal 2,8 mg g ⁻¹ van FA of Toc, waren stabiel gedurende ten minste 15 weken opslag bij kamertemperatuur. De auteurs concludeerden dat deze SLN's geschikt zijn als voedseladditieven waar een geleidelijke afgifte van de werkzame stof gunstig zou kunnen zijn.

Trends in nano-inkapseling van olie

Veel publicaties van de afgelopen 20 jaar bevatten de 4 termen nano-inkapseling, nano-emulsie, nanodeeltjes en nanotechnologie (Fig. 1). Vóór de jaren 2000 vormden artikelen met deze vier termen met betrekking tot het onderzoek naar olie- en voedseltoepassingen die eind jaren negentig werden gestart echter minder dan 2% van de onderzochte publicaties, waardoor dit onderwerp een kleine sector van nanotechnologie was (Fig. 1).

Aantal publicaties over nano-inkapseling, nano-emulsie, nanodeeltjes en nanotechnologie per jaar in de Scopus-database met de volgende trefwoorden:a nano-inkapseling, nano-emulsie, nanodeeltjes en nanotechnologie; b nano-inkapseling en olie, nano-emulsie en olie, nanodeeltjes en olie, en nanotechnologie en olie; en c nano-inkapseling en voedsel en olie, nano-emulsie en voedsel en olie, nanodeeltjes en voedsel en olie, en nanotechnologie en voedsel en olie

De term nanotechnologie werd in veel publicaties gebruikt als een meer algemene term (Fig. 2). Bij gebruik van de combinatie van deze termen en "olie" (Fig. 1b), wordt een toename waargenomen in publicaties over de term "nanodeeltjes". Het aantal publicaties over 'nano-emulsie' en 'oliën' is sinds 2010 aanzienlijk toegenomen, zowel in algemene gebieden als in verband met voedsel (Fig. 1b).

Schema van de definities van nano-inkapseling die gewoonlijk worden gebruikt voor oliën

Hoewel er veel meer publicaties zijn over "nanodeeltjes" en "nanotechnologie" (Fig. 1a), is inkapseling de meest geschikte term die wordt gebruikt om het verpakken van stoffen in micro- en nanodeeltjes te beschrijven en wordt het gedefinieerd als een proces waarbij één stof betrokken is. als het 'actieve middel' in een ander product dat het 'wandmateriaal' wordt genoemd [34,35,36].

De meeste publicaties over nano-inkapseling van olie gebruiken de term "nano-inkapseling" [2, 37,38,39,40,41,42] of "nano-emulsie" [10, 43,44,45,46,47,48]. Sommige auteurs gebruiken de term "nanocapsules" [49,50,51] en anderen gebruiken "nanodeeltjes" [35, 41]. Beide termen betekenen echter oorspronkelijk "nano-inkapseling" (Fig. 2), dat in de breedste zin is gebruikt en zowel de nanocapsules als de vorming van nanodeeltjes omvat [52].

De term "nanodeeltje" is een verzamelnaam voor zowel nanosferen als nanocapsules [17]. Nanocapsules hebben een polymeer membraan met een vloeibare kern, waarin de actieve verbinding is beperkt tot een holte die bestaat uit een binnenste vloeibare kern omgeven door een polymeer membraan (de kernstructuur kan lipofiel of hydrofiel zijn) [3, 17]. Aan de andere kant kunnen nanosferen worden gedefinieerd als vaste colloïdale fragmenten waarin bioactieve compost diffuus, gevangen, ingekapseld en chemisch geketend aan of geadsorbeerd in de polymeermatrix is. De polymeermatrix vormt een poreuze of vaste matrix en de kern kan waarschijnlijk veranderen in een vast materiaal op basis van de copolymeerstructuur [3, 53]. Nanodeeltjes zijn meestal gecoat met niet-ionische oppervlakteactieve stoffen om immunologische interacties te verminderen en de moleculaire interacties van de chemische groepen op het deeltjesoppervlak te verminderen (van der Waals, waterstofbinding of hydrofobe interacties). De intracellulaire opname van nanodeeltjes is hoger dan die van andere ingekapselde systemen. Volgens de toegepaste methodologie kunnen nanocapsules fungeren als een drager voor het vastgehouden actieve materiaal voor het polymere binnenmembraan. De olie die uit deze systemen vrijkomt, kan door desorptie, diffusie of erosie van de nanodeeltjes naar het doelweefsel worden getransporteerd [3].

Nano-emulsie is het begin van nano-inkapseling, een systeem gevormd door olieachtige en waterige fasen en de emulgering van deze fasen door het gebruik van een emulgator. Bovendien worden nano-emulsies gevormd met kleine druppelgroottes en grote oppervlakten [10, 18, 37, 54]. Dergelijke eigenschappen geven ze potentiële voordelen ten opzichte van conventionele emulsies, zoals een goede fysieke stabiliteit en een hogere biologische beschikbaarheid [10, 19].

De eerste definitie van nanotechnologie werd in 1959 besproken door de beroemde natuurkundige Richard Feynman in zijn toespraak Er is veel ruimte aan de onderkant , waarin hij de mogelijkheid van synthese beschreef via directe atoommanipulatie. "Nanotechnologie" werd voor het eerst gebruikt door Norio Taniguchi in 1974. Nanotechnologie ontstond als een veld in de jaren tachtig en vanaf dat moment is er een toename van wetenschappelijke publicaties en bewustwording in het gebied; onderzoek op dit gebied nam in de jaren 2000 toe (afb. 1), evenals wetenschappelijke, politieke en commerciële aandacht, wat leidde tot zowel controverse als vooruitgang. Bovendien begon de commercialisering van producten op basis van de vooruitgang in technologieën op nanoschaal te ontstaan ​​[55].

Nanotechnologie is een multidisciplinair gebied dat een breed scala aan materialen, processen en toepassingen omvat en dat chemische, fysische, biologische, elektronische en technische wetenschappen omvat. Het richt zich op de fabricage, karakterisering en experimenten van stoffen op nanoschaal, bijna tussen 1 en 100 nm. De minimale deeltjesgrootte, in verhouding tot het groeioppervlak, vertoont unieke en nieuwe eigenschappen en creëert een enorm potentieel voor technologische toepassingen [55,56,57].

Nanotechnologie kan strategieën bevorderen voor thermische en opslagstabiliteit, oplosbaarheid in water en bioactieve stoffen, de biologische beschikbaarheid voor voedselgebruik vergroten en de macroschaaleigenschappen van voedsel verbeteren, zoals smaak, textuur, industriële processen en kleursterkte [58]. De grote voedingsbedrijven hebben hun eigen onderzoeksafdelingen gebruikt om strategieën te ontwerpen voor het toepassen van nanotechnologieën in functionele voedingsmiddelen [59].

Huidige toepassingen van nano-inkapseling van olie

De groei van de voedingsdiscipline wordt in figuur 1b, c gekwantificeerd als het totale aantal publicaties met de trefwoorden "voedsel" en "olie" en "nano-inkapseling", "nano-emulsie", "nanodeeltjes" of "nanotechnologie" in hun samenvatting; de informatie wordt weergegeven als functie van het publicatiejaar. Zoals aangegeven door de trends in Fig. 1 vond de meeste groei op het gebied van voedselnanotechnologie plaats na het jaar 2010 vanwege de talrijke nanotechnologie-onderzoeken van de late jaren negentig en de groei van additieven van voedingskwaliteit die geschikt zijn voor het nanodeeltjesproces. Toepassingen voor nano-inkapseling van olie in de industrie zijn samengevat in tabel 1.

Momenteel bereiken nanotechnologische producten in de voedingsindustrie een waarde van 1 miljard dollar (voornamelijk bestaande uit coatings van nanodeeltjes voor gezondheidsbevorderende producten, verpakkingstechnologieën en concepten), en ze hebben de kans om in de komende 10 jaar met meer dan 20 miljard dollar te stijgen . Veel beoordelingen tonen een uitstekende samenvatting van de onderzoeksgroepen en particuliere en openbare organisaties die toonaangevend zijn geweest op het gebied van voedselnanotechnologie [11, 13, 60].

Hoewel een aantal beoordelingen [11, 13, 55, 60, 61] de investeringen in nanotechnologie voor voedsel en de opkomende toepassingen van nanotechnologie voor primaire productie hebben besproken, zijn er geen beoordelingen over nano-inkapseling van olie wanneer olie wordt beschouwd als het ingekapselde materiaal. Verder zijn er veel recensies over toepassingen van nanotechnologie [13, 53, 55, 61,62,63,64,65,66,67,68], en de meeste richten zich op nanotechnologie in voedseltoepassingen [13, 52, 55, 61,62,63,64,65,66,67,68].

In de voedingsindustrie kan het micro-inkapselingsproces om verschillende redenen worden gebruikt, die door Desai en Park [4] als volgt zijn samengevat:(a) het kernmateriaal wordt beschermd tegen degradatie door de reacties op de externe omgeving te verminderen; (b) de verdampings- of overdrachtssnelheid van het hoofdmateriaal naar de externe omgeving wordt verminderd; (c) de fysieke kenmerken van het oorspronkelijke materiaal zijn gewijzigd om gemakkelijker te kunnen worden gehanteerd; (d) de afgifte van het kernmateriaal is afgestemd om langzaam in de tijd of op een bepaald tijdstip plaats te vinden; (e) de ongewenste smaken of smaken van het kernmateriaal worden gemaskeerd; (f) een gelijkmatige verspreiding in het houdermateriaal wordt bereikt; en (g) de mengselcomponenten die anders met elkaar zouden reageren, worden gescheiden. Deze toepassingen zijn ook geschikt voor nano-inkapseling van olie. Ricaurte et al. [10] en Campo et al. [37] bestudeerde high-oleic palmolie (HOPO) en chiazaadolie met verschillende doelen. De eerste studie was gericht op het vinden van de gunstigste microfluïdisatie-, vormings- en opslagomstandigheden voor de nano-emulsies verkregen uit HOPO en de tweede studie beloofde alternatieven om de olie te beschermen tegen lipide-oxidatie en de oplosbaarheid en stabiliteit te verbeteren (tabel 1).

Cushen et al. [9] bevestigt dat de bovenstaande bewering dat micro-inkapseling van voedsel goed ingeburgerd is; micro-ingekapselde visolie is toegepast in brood voor functionele gezonde voordelen. Het micro-inkapselingsproces maskeert de onaangename smaak van visolie en dit brood is al haalbaar op de markt. De nano-inkapseling en toevoeging van verbindingen in de voedingsindustrie is een logische vooruitgang van de technologie [2, 68]. Bovendien resulteren oxidatiereacties, de belangrijkste verslechteringsprocessen van vetten, oliën en op lipiden gebaseerde voedingsmiddelen, in verminderde voedingswaarde en sensorische kwaliteit, en nano-inkapseling van olie bevordert de vermindering van oxidatie door de vorming van beschermende barrières gevormd tijdens het nano-inkapselingsproces, zoals eerder vermeld [2].

In hun recensie, Walker, et al. [47] benadrukte de belofte van het gebruik van nano-emulsies voor de inkapseling, veiligheid en afgifte van omega-3-vetzuren. Deze draagsystemen kunnen worden gebruikt in de voedingsindustrie in dranken met deze bioactieve lipiden en om voedingsmiddelen te versterken, of ze kunnen worden gebruikt in de supplementen- of farmaceutische industrie om de bioactiviteit van functionele omega-3-vetzuursamenstellingen te verbeteren.

Sozer en Kokini [67] vereenvoudigden het gebruik van nanotechnologie in de voedsel- en voedselverpakkingsindustrie. Soorten voedselvoordelen omvatten bescherming tegen oxidatie; gecontroleerde afgifte van ingekapselde ingrediënten (vocht of pH); test vermomming; levering van nano-ingekapselde voedingsstoffen, vitamines en smaakstoffen; detectie van pathogenen in voedselsystemen; voedselveiligheid; en kwaliteitsanalyse. Sommige toepassingen voor voedselverpakkingen omvatten verbeterde verpakkingen (gas- en vochtbarrières, treksterkte); houdbaarheidsverlenging via actieve verpakkingen, nanoadditieven, intelligente verpakkingen, nutraceutische levering en gecontroleerde afgifte; antibacteriële effecten van zelfreinigende verpakkingen; en productconditiebewaking tijdens transport. Toepassingen in voedselverpakkingen worden als veelbelovend beschouwd omdat ze de veiligheid en kwaliteit van de voedselproducten kunnen verbeteren. Deze toepassingen omvatten intelligente verpakkingen, die in staat zijn om te interageren met het voedingsproduct. Voor nano-inkapseling van olie in de voedingsindustrie wordt normaal gesproken visolie gebruikt en het doel van de nano-inkapseling is om de olie primair te beschermen tegen lipide-oxidatie voor voedselverrijking [34, 38, 40].

Zoals te zien is, is visolie de meest gebruikte olie in zowel micro- als nano-inkapseling. Het is een bron van onverzadigde vetzuren en PUFA. Mensen kunnen de meeste vetzuren produceren. Desalniettemin kunnen omega-6 (n-6) en omega-3 (n-3) vetzuren, die essentieel zijn in de menselijke voeding, niet door het menselijk organisme worden gesynthetiseerd. Mensen moeten ze dus uit voedsel halen. De inname van plantaardige oliën (eetbare oliën), waaronder PUFA, is gerelateerd aan een lage incidentie van chronische ziekten, zoals cardiovasculaire of neurologische aandoeningen, en een afname van het aantal kankers [3, 69].

Bioactieve oliën worden meestal toegepast vanwege hun nutritionele eigenschappen, maar een van de belangrijkste problemen met betrekking tot hun gebruik is het verlies van actieve componenten tijdens opslag [70]. Dit komt doordat bioactieve oliën PUFA en andere stoffen (xanthofylen, sterolen, carotenoïden, monoterpenen, flavonolen, enz.) bevatten die gevoelig zijn voor zuurstof, vocht, warmte en licht [71]. De producten die in geoxideerde oliën worden gevormd, omvatten talrijke soorten vrije radicalen, primaire oxidatieproducten zoals lipidehydroperoxiden en secundaire oxidatieproducten zoals koolwaterstoffen, aldehyden, epoxiden en ketonen. Sommige van deze producten kunnen biologische weefsels negatief beïnvloeden [72]. Door deze oxidatie gaan de eigenschappen en voedingswaarde van de olie verloren en ontstaat er een onaangename smaak en geur [3].

De andere actieve verbindingen in deze oliën kunnen antioxiderende, ontstekingsremmende, antivirale, antibacteriële, kankerbestrijdende en/of weefselregeneratieve eigenschappen vertonen [73]. De polyfenolen en tocoferolen in oliën vertonen een belangrijke antioxiderende werking. Daarom variëren de kenmerken en samenstelling van antioxidanten per olietype. Dienovereenkomstig bevatten olijf-, zonnebloem-, argan- en druivenpitolie een hoog gehalte aan antioxidanten [72]. Daarnaast draagt ​​de aanwezigheid van labiele verbindingen zoals sterolen, carotenoïden, xanthofyl, flavonolen en monoterpenen ook bij aan de voedingswaarde en gezondheidseigenschappen van een olie [3].

Bovendien zijn EO's veelvoorkomende plantaardige producten die zijn samengesteld uit mengsels van biologisch actieve materialen, en ze bieden potentieel bioactieve verbindingen en nieuwe molecuultemplates [74, 75]. EO's zijn samengesteld uit vluchtige secundaire metabolieten met antischimmel-, antibacteriële, antioxiderende, ontstekingsremmende, antivirale en antikankeractiviteiten [76]. EO-efficiëntie hangt af van de chemische samenstelling, het genotype en de omgevings- en agronomische omstandigheden [77]. Enkele voorbeelden van deze oliën zijn tijm, lavendel, pepermunt, kaneel, tea tree, rozemarijn, eucalyptus en citroengrasolie, evenals enkele andere. Van deze oliën is aangetoond dat ze antimicrobiële eigenschappen vertonen, maar ze zijn extreem kwetsbaar voor oxidatie [15, 27, 78].

EO's worden geclassificeerd als natuurlijke bioactieve moleculen die geschikt worden geacht voor gebruik bij de remming van de groei van door voedsel overgedragen pathogenen. De directe opname van EO's in voedsel biedt echter technologische uitdagingen vanwege de hoge vluchtigheid van sommige EO-bestanddelen, de moeilijkheid van EO-opname in waterige formuleringen en de mogelijkheid van drastische veranderingen in de sensorische eigenschappen van voedingsproducten. Onder de componenten die antimicrobiële activiteit vertonen, zijn oregano, carvacrol, thymol en γ-terpineen in voedsel gebruikt.

Sommige essentiële oliën zijn gebruikt om de microbiële, sensorische en chemische kwaliteit van voedingsmiddelen zoals vlees, kip en vruchtensappen te verbeteren [28, 79,80,81]. Ghaderi-Ghahfarokhi et al. [28] nano-ingekapselde etherische olie van tijm en gebruikten het in runderburger. Ze merkten op dat het inkapselingsproces de houdbaarheid van de essentiële tijmolie verbeterde en de verdamping van actieve verbindingen aan het begin van de opslag minimaliseerde. Bovendien kan de langzame afgifte van de essentiële olie van tijm tijdens opslag de antioxiderende en antimicrobiële activiteit van de olie behouden of zelfs verhogen tot het einde van de gekoelde opslag. Bovendien waren er positieve veranderingen in de roodheid en het oxymyoglobinegehalte van hamburger vergeleken met dat van de controles, en vrije essentiële olie van tijm verbeterde de aanvaardbaarheid en sensorische kwaliteit van rundvleesburgers.

Er zijn onderzoeken die etherische oliën in voedsel gebruikten als natuurlijke conserveermiddelen om de voedselveiligheid en kwaliteit te verbeteren, ter vervanging van schadelijke synthetische conserveermiddelen [49, 82]. Herculano et al. [82] eucalyptus ingekapseld en de antimicrobiële werking van de geladen nanodeeltjes op Listeria monocytogenes bepaald en Salmonella enteritidis bacteriën. De auteurs merkten op dat de bacteriedodende werking van nanodeeltjes effectiever was tegen gram-positieve dan gram-negatieve bacteriën, aangezien de nano-ingekapselde olie een verhoogde activiteit vertoonde tegen S . enteritidis; deze nanodeeltjes kunnen worden gebruikt in voedingsmiddelen voor natuurlijke conservering.

Cashewgom (CG), waarvan de structuur lijkt op Arabische gom, is een heteropolysaccharide gewonnen uit het exsudaat van Anacardium occidentale , een boom die veel voorkomt in de Braziliaanse noordoostelijke regio. Cashewgom kan een interactie aangaan met water en werkt dus als stabilisator, emulgator en kleefmiddel en zou een goede vervanging kunnen zijn voor Arabische gom, die duurder is. CG werd gebruikt door Herculano et al. [82] om Eucalyptus staigeriana in te kapselen etherische olie (ESO), en de diameter (nm) en zeta-potentiaal (mV) van de capsules uit de formulering waren respectievelijk F1:153,80 ±-8,20 en − 24,50 ± 0,45; F2:27.70 ± 3.42; − 14,47 ± 1,42 en F3:432,67 ± 41,47; − 10.45 ± 0.21. Deze formuleringen waren samengesteld uit 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. De F1- en F2-monsters vertoonden een unimodale verdeling, terwijl F3 een bimodale verdeling had (nano- en microdeeltjes).

Nanoencapsulation Methods Applied in Different Oils

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.