Μελέτη συστημάτων κρυοπηκτών από υδροκολλοειδή ως φορείς εγκλεισμού βιοενεργών συστατικών:
Creators: name: Κρητικοπούλου, Κωνσταντία Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: β-γλυκάνες
κρυοπηκτές
μικροενθυλάκωση
β-glucans
cryogels
microencapsulation

description: Σκοπός αυτής της μελέτης ήταν η εφαρμογή μιας τεχνικής ενθυλάκωσης διατροφοδραστικών ουσιών, που θα είχαν ευεργετική επίδραση στην υγεία του ανθρώπου ή συμβολή στην ποιότητα και διατηρησιμότητα ενός τροφίμου, χρησιμοποιώντας ως φορείς εγκλεισμού οργανωμένες δομές βιοπολυμερών, όπως είναι οι κρυοπηκτές. Για το σκοπό αυτό υψηλής καθαρότητας β-γλυκάνες απομονώθηκαν από αλεύρι κριθαριού ολικής άλεσης και υποβλήθηκαν σε όξινη υδρόλυση για την παραλαβή τριών κλασμάτων με μοριακά βάρη 55, 140 και 320 x 103 Da. Ο προσδιορισμός του μοριακού μεγέθους των δειγμάτων έγινε με υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης - αποκλεισμού μεγέθους. Για την παρασκευή των συστημάτων εγκλεισμού, υδατικά διαλύματα β-γλυκανών υποβλήθηκαν σε 10 αλλεπάλληλους κύκλους κατάψυξης-απόψυξης. Η αρχική συγκέντρωση των διαλυμάτων των β-γλυκανών ήταν 4,17 % (κ.β.), η οποία παρέμενε σταθερή για όλα τα δείγματα. Επιπλέον, παρασκευάστηκαν κρυοπηκτές από μίγματα των τριών β-γλυκανών και ένα μοντέλο πρωτεΐνης σε αναλογία 5:1. Πιο συγκεκριμένα, επιλέχθηκαν τέσσερις διαφορετικού μοριακού βάρους πρωτεΐνες ως μοντέλα βιολειτουργικών συστατικών για να ενθυλακωθούν στις κρυοπηκτές που σχηματίστηκαν από τις β-γλυκάνες κριθαριού με διαφορετικά μοριακά χαρακτηριστικά. Οι τέσσερις πρωτεΐνες ήταν η αλβουμίνη ορού βοοειδών (67 kDa), η οβαλβουμίνη (43 kDa), η β-λακτογλοβουλίνη (18 kDa) και τέλος η ιμβερτάση (270 kDa). Επιπλέον, παρασκευάστηκαν μίγματα κρυοπηκτών από β-γλυκάνες και αλβουμίνη ορού βοοειδών σε τρεις αναλογίες 2,5:1, 5:1 και 10:1 β-γλυκάνης/πρωτεΐνης, όπου η συγκέντρωση της β-γλυκάνης παρέμενε σταθερή 4,17 % (κ.β.), ενώ της πρωτεΐνης ήταν 1,66 %, 0,83 % και 0,42 % (κ.β.), αντίστοιχα, για τις τρεις διαφορετικές αναλογίες. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των σχηματιζόμενων κρυοπηκτών επηρεάστηκαν από τα μοριακά χαρακτηριστικά των β-γλυκανών και των πρωτεϊνών. Τέτοιες επιρροές αποκαλύφθηκαν μελετώντας τις θερμομηχανικές ιδιότητες με θερμιδομετρία, τεχνικές δυναμικής ρεομετρίας, καθώς και με μηχανικές δοκιμές μεγάλων παραμορφώσεων. Οι τιμές της ελαστικής συνιστώσας (G’) των κρυοπηκτών βρέθηκαν να μειώνονται και οι τιμές της εφαπτομένης απώλειας (tan δ) να αυξάνονται με την αύξηση του μοριακού μεγέθους των β-γλυκανών. Οι τιμές της φαινομενικής μεταβολής της ενθαλπίας (ΔΗ) των κρυοπηκτών των β-γλυκανών (μάρτυρες) και των κρυοπηκτών από τα μίγματα β-γλυκανών και πρωτεϊνών βρέθηκαν να μειώνονται με την αύξηση του μοριακού βάρους του πολυσακχαρίτη. Η θερμοκρασία μετάπτωσης από την κατάσταση της κρυοπηκτής σε διάλυμα (δηλ. σημείο τήξης, Τm, των κρυοπηκτών) βρέθηκε να αυξάνεται με την αύξηση του μοριακού μεγέθους της β-γλυκάνης. Επιπλέον, μηχανικές δοκιμές μεγάλων παραμορφώσεων (δοκιμές συμπίεσης) έδειξαν αύξηση της ισχύος των κρυοπηκτών με την αύξηση του μοριακού βάρους. Τέλος η βαθμιαία απελευθέρωση και η σταθερότητα των ενθυλακωμένων ουσιών στα μοντέλα συστήματα εκτιμήθηκε με φασματοφωτομετρία υπεριώδους και κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες προσομοίωσης της διεργασίας της πέψης. Ο ρυθμός απελευθέρωσης των πρωτεϊνών από τις κρυοπηκτές των μιγμάτων β-γλυκανών με πρωτεΐνη βρέθηκε να εξαρτάται από το μοριακό βάρος τόσο της πρωτεΐνης, όσο και της β-γλυκάνης. Η αύξηση του μοριακού βάρους της β-γλυκάνης και της πρωτεΐνης μειώνει το ρυθμό απελευθέρωσης και το συντελεστή διάχυσης της πρωτεΐνης. Η ίδια πτωτική τάση παρατηρήθηκε στην κινητική που έγινε και στα τέσσερα μοντέλα πρωτεϊνών που χρησιμοποιήθηκαν, ανεξαρτήτως του μοριακού μεγέθους των πρωτεϊνών. Με την αναλογία συγκέντρωσης β-γλυκάνης/πρωτεΐνη να αυξάνεται από 2,5:1 σε 10:1 (ενώ η συγκέντρωση της β-γλυκάνης παραμένει σταθερή 4,17% κ.β.), ο ρυθμός απελευθέρωσης της πρωτεΐνης μειώνεται.
description: The objective of this work was to develop effective encapsulation vehicles of nutraceuticals, which would have beneficial effects on human health or contribute to the quality and sustainability of food, using as carriers organized biopolymer structures such as cryogels. For this purpose, highly purified β-glucans were isolated from barley wholemeal flour and subjected to acid hydrolysis to obtain three fractions with molecular weights of 55, 140 and 320 x 103 Da, as determined by high performance size exclusion liquid chromatography and designated as BGL55, BGL140 and BGL320, respectively. For preparation of cryogels (aqueous biopolymer network matrices), aqueous β-glucans solutions (4,17% w/w) were subjected to 10 freezing (-23oC for 24h) and thawing (25oC for 24h) cycles. Control samples (protein-free) of cryogels were prepared using three different molecular weight β-glucans at a concentration of 4,17% (w/w) in triplicate. In addition, mixed cryogels were prepared using β-glucans (BGL55, BGL140, BGL320) and a model protein system. More specifically, four different molecular weight proteins were selected as models of bioactive ingredients to be encapsulated into the cryogels formed by barley β-glucan with different molecular characteristics; the four proteins were bovine serum albumin (67 kDa), ovalbumin (43 kDa), β-lactoglobulin (18 kDa) and invertase (270 kDa). Specifically, mixed cryogels were prepared by β-glucans and bovine serum albumin in three ratios 2.5:1, 5:1 and 10:1 (w/w) (β-glucan:protein), where the concentration of protein was 1.66%, 0.83% and 0,42% (w/w), respectively, whereas that of β-glucan remained constant at 4,17% (w/w). Then, mixed cryogels were prepared by β-glucans (BGL55, BGL140, BGL320) and the other three different molecular weight proteins at a single weight ratio of 5:1 (w/w). The phenomenological appearance of the gelled materials obtained, following the freezing-thawing cycles, was influenced by the molecular features of the β-glucan and protein constituents. Such effects were found by probing the short- and large- range interchain associations by differential scanning calorimetry (DSC), small strain dynamic rheometry, and large deformation mechanical measurements. For the barley β-glucan cryogels (control samples) and the mixed cryogels made of the β-glucans and the model proteins, the storage modulus, G’, decreased and the tan δ increased with increasing polysaccharide molecular size. The apparent melting enthalpy values (ΔΗ) of β-glucan cryogels, as determined from the DSC endothermic peaks, decreased with increasing molecular size. Instead, the DSC melting temperature of the gel network was found to increase with the molecular size of the polysaccharide. Moreover, large deformation mechanical tests (compression mode) revealed an increase in strength of barley β-glucan cryogels with increasing molecular size. Finally, the rate release of the encapsulated substances in model systems was estimated by spectrophotometry (UV). The rate of release of proteins from the mixed cryogels (β-glucan-protein) was found to depend on the molecular weight of both protein and β-glucan components. The release rate and the diffusion rate of the protein decreased with increasing molecular weight of the β-glucan component. Moreover, with increasing ratio of β-glucan/protein from 2.5:1 to 10:1 (the β-glucan concentration remaining constant at 4.17% w/w in all formulations), the amount of protein released was reduced.