Formation of nanoemulsion - based delivery systems for liposoluble vitamins: stability assessment and digestion studies

Abstract

Yağda çözünen vitaminler sağlığa faydalı etkileri olan biyoaktif mikronütrientlerdir. Bu vitaminler, zayıf kimyasal stabiliteye, düşük suda çözünürlüğe ve dolayısıyla düşük biyoyararlılığa sahip olabilmektedirler. Bu nedenle, bu bileşikleri fonksiyonel gıda ve içecek ürünlerinde kararlı halde ekleyebilmek için etkin taşıma sistemlerinin tasarlanması gerekmektedir. Lesitin, quillaja saponin, peyniraltı suyu izolatı (PSI), arap gamı (GA) gibi doğal emülgatörler kullanılarak, nanoemülsiyon bazlı vitamin taşıma sistemlerinin yüksek basınçlı homojenizatör ile üretilmesi amaçlanmıştır. Nanoemülsiyon kompozisyonu ve çevresel faktörlerin (pH, iyonik güç ve sıcaklık) taşıma sistemlerinin ortalama partikül boyutu ve zeta potansiyel değerleri üzerine etkisi araştırılmış olup, teorik kavramlara dayandırılarak stabiliteleri değerlendirilmiştir. Simüle edilmiş mide-bağırsak sistemi kullanılarak, biyoaktif taşıyıcı yağ tipinin, sindirim ve D3 vitamininin biyoerişilebilirliği üzerine etkisi incelenmiştir. Yağ fazında orta düzeyde (50%) E vitamini/portakal yağı içeren emülsiyonlarda minimum ortalama partikül boyutu elde edilmiştir: d32= 0.13µm (lesitin) ve 0.12µm (quillaja saponin). Düşük emülgatör konsantrasyonunda küçük partikül oluşturmada, PSI (d32= 0.11 μm, 1% PSI), GA'dan (d = 0.38 μm, 10% GA) daha iyidir. Quillaja saponini ve lesitin pH 3-8 aralığında stabil nanoemülsiyon oluştururken, elektrostatik itme kuvveti kaybından dolayı pH 2'de stabiliteleri bozulmuştur. Yüksek tuz konsantrasyonu (>100 mM NaCl (lesitin); ≥400 mM NaCl (saponin) elektrostatik perdelemeden dolayı stabilitenin bozulmasına neden olmuştur. Bütün sistemler sıcaklık 30 ila 90°C aralığında stabildir. PSI-bazlı nanoemülsiyonlar pH 5, NaCl >100 mM ve yüksek sıcaklıkta (>60 °C) floküle olmuşken, GA-bazlı emulsiyonlar stabil kalmıştır. Sindirim sırasında, serbest yağ asidi salınımı azalan oranla; orta zincirli trigliserit> mısır yağı ≈ balık yağı> portakal yağı> mineral yağ şeklindedir. D3 vitamini biyoerişilebilirliğinde en etkin uzun zincirli trigliseritlerdir. Bu tez sonuçları, gıda bazlı stabil vitamin taşıma sistemlerinin oluşturulması için, doğal emülgatörlerin emülsifikasyon ve stabilizasyon kapasitelerinin belirlenmesinde faydalı olacaktır.

Liposoluble vitamins are the biological active micronutrients which have health promoting effects. They may possess poor chemical stability, poor water solubility and low bioavailability. Therefore it is required to design effective delivery systems to incorporate these bioactives into functional food and beverage products. Nanoemulsion-based vitamin delivery systems were aimed to be produced using natural emulsifiers: lecithin, quillaja saponin, whey protein isolate (WPI) and gum arabic (GA) in a high pressure homogenizer. The effect of nanoemulsion composition and environmental stresses (pH, ionic strength and temperature) on the mean particle diameter and zeta-potential of the delivery systems were investigated and the stability was assessed by referring to theoretical phenomena. Simulated gastrointesinal system was used to evaluate the influence of carrier oil type on the digestion and bioaccessability of the vitamin D3. The mean particle diameter had a minimum value at an intermediate vitamin E-to-orange oil ratio in the oil phase: d32= 0.13µm for lecithin and 0.12µm for quillaja saponin at 50% vitamin E. WPI (d32 = 0.11 μm, 1% emulsifier) was better than GA (d32 = 0.38 μm, 10% emulsifier) at producing small droplets at low emulsifier concentrations. Quillaja saponin and lecithin formed stable nanoemulsions at pH 3-8, however the loss of electrostatic repulsion caused instability at pH 2. Higher salt concentrations >100 mM NaCl for lecithin and ≥ 400 mM NaCl for quillaja saponin caused instability due to the electrostatic screening. All the sytems were stable at temperatures from 30 to 90 °C. WPI-stabilized nanoemulsions were unstable to flocculation at pH 5, at high ionic strength (>100 mM), and at elevated temperatures (>60 °C), whereas GA-stabilized emulsions were stable. The rate of free fatty acid release during lipid digestion decreased in the following order: medium chain triglycerides (MCT) > corn oil ≈ fish oil > orange oil > mineral oil. Long chain triglycerides were the most effective at increasing vitamin D3 bioaccessibility. These results provide useful information about the emulsifying and stabilizing capacities of natural emulsifiers for forming food-grade vitamin-enriched delivery systems.