Estudio de estabilidad y digestibilidad de la emulsión de éter de celulosa/compuesto de celulosa nanocristalina

Resumen: Con el fin de reducir la absorción corporal de grasas y aceites en los alimentos y reducir el riesgo de obesidad, este estudio exploró las propiedades físicas de las emulsiones compuestas de aceite en agua preparadas por efectos sinérgicos de diferentes tipos de éteres de celulosa (no iónicos). y aniónico) y nanocristales de celulosa. Almacenamiento y estabilidad digestiva gastrointestinal simulada. Los estudios han demostrado que las emulsiones compuestas nanocristalinas de celulosa/éter de celulosa tienen la mejor estabilidad de almacenamiento durante al menos un mes y la digestibilidad de lípidos más baja en comparación con las emulsiones estables de un solo componente, lo que confirma que los materiales a base de celulosa Aplicaciones potenciales en campos como alimentos y atención médica .

Palabras clave: nanocristales de celulosa; éter de celulosa; estabilidad física de la emulsión; digestibilidad de los lípidos

Como uno de los tres componentes nutricionales básicos requeridos por el cuerpo humano, la grasa está estrechamente relacionada con la salud humana. La ingesta excesiva de grasas en los alimentos conducirá a la acumulación de grasa en el cuerpo, aumentará el peso corporal e incluso provocará una serie de enfermedades derivadas del sistema cardiovascular, digestivo y endocrino. Si bien los métodos de dieta comunes pueden lograr el objetivo de perder peso hasta cierto punto o en una etapa específica, fácilmente pueden conducir a otros riesgos para la salud, como desnutrición, problemas estomacales y pérdida de memoria. las soluciones son particularmente importantes. En la vida diaria, además de la mezcla directa, el uso más común de la tecnología de emulsificación es mejorar el sabor de los alimentos, mejorar la estabilidad y dotar a los productos de una funcionalidad única. Inspirándose en esto, este estudio reduce la liberación de aceite en los alimentos y la tasa de absorción del cuerpo humano al mejorar la estabilidad de la emulsión de aceite en agua. Se espera que este método se aplique a la supresión de la obesidad y campos relacionados.

Las partículas coloidales de biomasa natural han atraído durante mucho tiempo la atención de la industria y la academia debido a sus ventajas de respeto al medio ambiente, fuentes amplias y propiedades fisicoquímicas únicas. A diferencia de la emulsión de tensioactivo anfifílico tradicional, la emulsión con partículas coloidales estables tiene mayor energía libre de adsorción interfacial y no es fácil de reemplazar por sales biliares en el proceso de digestión gastrointestinal. Por lo tanto, el sistema de emulsión tiene una estabilidad excelente y tiene una ventaja única en el campo de la dieta y el cuidado de la salud. Singh et al resumieron cómo regular la digestión y la lipólisis de los lípidos por los jugos digestivos gastrointestinales a través de la construcción de una emulsión de grado alimenticio, y discutieron en detalle los problemas que enfrenta esta área, incluida la interacción entre las enzimas digestivas y la composición y estructura de la capa estable en la interfaz de la gota de leche, el reemplazo y desplazamiento de las sales biliares y el estado final de la gota de leche antes de la absorción. Sobre esta base, algunas publicaciones han informado sobre la aplicación de emulsión de estabilización de partículas coloidales de nanocelulosa para mejorar la digestión y absorción de lípidos. Deloide et al. descubrió que la adición de nanocelulosa a un alto contenido de grasa podía reducir la hidrólisis de los triglicéridos (el contenido de ácidos grasos libres en AGL se redujo a aproximadamente un 30 %) y reducir la digestión o absorción de grasas en un experimento que simulaba la digestión gastrointestinal in vitro. Bai et al. estudió el rendimiento digestivo de la emulsión de celulosa nanocristalina (CNC) a través de una simulación estática de tres etapas del experimento péptico gastrointestinal. Los resultados mostraron que, en comparación con la emulsión de acacia, la emulsión CNC podía reducir el contenido de FFA a alrededor del 60 %.

Basado en la idea de diseño de una emulsión estabilizada con una sola partícula coloidal, este estudio investigó el efecto sinérgico de las nanopartículas CNC y diferentes tipos de polímeros de éter de celulosa para mejorar la estabilidad física de almacenamiento de su emulsión compleja y simular la digestión gastrointestinal, así como reducir la liberación de AGL. .

1. Experimento

1.1 Reactivos e instrumentos

Papel de filtro de algodón libre de polvo Whatman (GE Healthcare Canada); Metilcelulosa no iónica (MC, viscosidad =4000 mpa·s) y carboximetilcelulosa aniónica (CMC, viscosidad =2000 mpa·s) (Dow Chemical Company, EE.UU.); Fracción de masa 99,999 % de ácido sulfúrico (Caledon Laboratory Chemicals, Canadá), aceite de maíz, cloruro de sodio, hidróxido de sodio (Sigma-Aldrich, Canadá).

Centrífuga ultrasónica congelada (Sorvall RC-5, Dupont, EE. UU.), Trituradora de células ultrasónica (Sonifier 450, Branson Ultrasound, EE. UU.), Balanza analítica electrónica (ME204T, Mettler Toledo Group, Suiza).

1.2 Preparación de nanocristales de celulosa

Como se mencionó anteriormente, en condiciones de agitación mecánica continua, el papel de filtro de algodón sin polvo Whatman (40 g) se trató con ácido sulfúrico concentrado (700 ml) con una fracción de masa del 64 % (en peso) a 45 ℃ durante 45 min, luego se diluyó con un gran cantidad de agua helada para apagar la reacción, y el ácido sulfúrico residual se eliminó en la medida de lo posible a través de repetidos lavados y centrifugados. Esto fue seguido por diálisis en agua desionizada durante unas dos semanas para eliminar el ácido sulfúrico residual y la degradación de los azúcares del sistema. Después de la diálisis, la dispersión de CNC se trató con dispersión ultrasónica durante 45 minutos en un baño de hielo mediante una trituradora de células y se filtró, luego se agregó el PH del sistema de neutralización de NaOH a neutral, y el líquido neutral disperso en agua de CNC se almacenó en almacenamiento en frío para más tarde. usar.

1.3 Preparación de la solución de éter de celulosa

Debido a las propiedades únicas de gel térmico de la metilcelulosa, para garantizar la disolución completa de las muestras, este estudio siguió el método de calentamiento y enfriamiento recomendado en el manual del producto para preparar una solución acuosa de éter de celulosa. En primer lugar, las muestras de polvo se dispersaron en agua caliente (1/3 del volumen total) a 90 ℃ y se agitaron mecánicamente de forma continua durante 30 minutos. Retire el calentador, agregue los 2/3 restantes del volumen de agua helada y revuelva continuamente hasta que la solución cambie a un estado claro y transparente. La carboximetilcelulosa se disuelve directamente en agua desionizada bajo la acción de agitación mecánica y se configura a la concentración requerida. Todas las muestras se refrigeraron para uso futuro.

1.4 Preparación de emulsión a base de celulosa

Después de que el oscilador de vórtice mezclara uniformemente la solución acuosa de éter de celulosa y la dispersión CNC, se añadió NaCl (la concentración final de sal de 50 mM) para proteger la repulsión electrostática en el sistema. Luego, se preparó una emulsión de éter de celulosa/CNC mezclando aceite de maíz con una relación de volumen de aceite/agua de 1/4 de forma preoscilatoria y sometiéndose a un tratamiento ultrasónico con una trituradora de células ultrasónica (intensidad de 6 niveles y pulso del 50 %) en agua helada. baño por 3min. La emulsión preparada con éter de celulosa solo o CNC se usó como grupo de control.

1.5 Determinación del tamaño de nanocristales de celulosa

La forma y el tamaño de CNC fueron probados por el microscopio de fuerza atómica Asylum MFP-3D (Oxford Instruments, EE. UU.). Las condiciones de prueba fueron brazo espiral gigante FMR (Nano World), la constante elástica legal fue de 1,2 ~ 5,5 N/m, y la frecuencia de resonancia fue de 60 ~ 90 kHz en una atmósfera a temperatura ambiente.

1.6 Determinación del tamaño de partícula de emulsión a base de celulosa

Se usó el analizador de tamaño de partículas láser Malvem Mastersizer 2000G (equipado con láser de 633 nm, Malvem Instruments, EE. UU.) para determinar el tamaño de partículas de la emulsión de éter de celulosa/CNC.

1.7 Observación de la morfología de la emulsión a base de celulosa

El microscopio óptico Axiovert 100M (Zeiss, Alemania) se utiliza para visualizar la topografía de la emulsión. Después de diluir la emulsión 100 veces, se dejó caer en el centro del portaobjetos y se cubrió con un cubreobjetos. Cabe señalar que las áreas grises irregulares u ovaladas en algunas imágenes de microscopio óptico pueden ser gotitas de aceite.

1.8 Análisis in vitro de digestión simulada de emulsión a base de celulosa

De acuerdo con el método estático estandarizado informado por Brodkorb et al., el experimento de simulación in vitro de la digestión gastrointestinal humana consistió en las siguientes tres etapas: 1) simulación de la digestión oral. Las muestras de emulsión fresca se mezclaron con una solución electrolítica de saliva simulada (SSF) en una proporción final de 1:1, luego se añadieron 75 U/mL de A-amilasa IX-A de saliva y finalmente CaCl2 0,75 mM. La solución de electrolito SSF consta de KCI 15,1 mM, KH2PO+ 3,7 mM, NaHCO3 13,6 mM, MgCl2(H2O) 0,15 mM, (NH4)2CO3 0,06 mM. La temperatura de digestión simulada fue de 37 °C, pH = 7,0 y el tiempo fue de 2 min. 2) Digestión en fase gástrica simulada. La muestra de emulsión digerida oralmente se mezcló primero con la solución electrolítica de fluido gástrico simulado (SGF) en una proporción final de 1:1, luego se agregaron 2000 U/mL de pepsina (P7125) y finalmente se agregó CaCl2 0,075 mM. La solución de electrolito SGF se compone de KC1 6,9 mM, KH2P04 0,9 mM, NaHCO3 25 mM, NaCl 47,2 mM, MgCl(H2O)6 0,1 mM, (NH4)2CO3 0,5 mM. La temperatura de digestión simulada fue de 37 °C, pH = 3,0 y el tiempo fue de 2 h. 3) Simular la digestión intestinal. El quimo gástrico mencionado anteriormente se combinó primero con la solución de electrolitos de fluido intestinal simulado (SIF) en la proporción final 1: 1. mL de lipasa (L3126, tipo II) y, finalmente, agregue solución de electrolito CaC12e SIF 0,3 mM compuesta por los siguientes componentes: KCI 6,8 mM, KH2PO4 0,8 mM, NaHCO3 85 mM, NaCl 38,4 mM, MgCI2(H2O)6 0,33 mM. La temperatura de digestión simulada fue de 37 ℃, pH = 7,0 y el tiempo fue de 2 h. El contenido de ácidos grasos libres (FFA) liberados se midió usando la técnica de titulación automática pH-stat (Metrohm 916 Ti-Touch, Suiza) para cuantificar el grado de lipólisis del aceite de maíz en la emulsión y así caracterizar la estabilidad de la emulsión.

2. Resultados y discusión

2.1 Morfología y tamaño de los nanocristales de celulosa

De acuerdo con la morfología y el tamaño de la película CNC, la longitud de una sola nanopartícula CNC es de aproximadamente 200 nm y el diámetro es de aproximadamente 10 nm. La distribución del tamaño de las nanopartículas es uniforme, y la morfología de las nanopartículas en forma de barra es "gruesa en el medio", similar a la estructura granular del arroz.

2.2 Estabilidad del aspecto de la emulsión a base de celulosa

De acuerdo con la estabilidad aparente de las diferentes emulsiones a base de celulosa (problemas de pérdida de aceite o delaminación), además de CMC, CNC o MC solo se pueden usar para preparar una emulsión de aceite en agua, y la emulsión no tiene fenómeno de pérdida de aceite. . Sin embargo, debido a la diferencia en la densidad de las dos fases de agua y aceite, la baja viscosidad del sistema y el tamaño de partícula más grande de las gotas de emulsión, el fenómeno de estratificación de la emulsión de nanopartículas CNC única fue grave después de 30 días de almacenamiento. a temperatura ambiente, y su apariencia fue ligeramente inferior a la de la emulsión MC. Debido al efecto sinérgico entre los componentes, la emulsión compuesta de éter de celulosa/CNC generalmente tiene una alta estabilidad. Sin embargo, a diferencia de los derivados de celulosa como MC, CMC no tiene propiedades emulsionantes, la interacción entre CMC y CNC debilitará la estabilidad del sistema de emulsión y la estratificación de la emulsión aún es obvia.

2.3 Tamaño de partícula de emulsión a base de celulosa

De acuerdo con el tamaño de partícula de la estabilidad de almacenamiento de 30 días de la emulsión a base de celulosa, la estabilidad de la emulsión compuesta de éter de celulosa/CNC es excelente, aunque aparece algún fenómeno de estratificación, pero el tamaño de partícula de la emulsión básicamente permanece sin cambios con la extensión del tiempo de almacenamiento. De manera similar, el tamaño de partícula de la emulsión CNC simple no cambió significativamente con la extensión del tiempo de almacenamiento, pero el fenómeno de estratificación fue grave. Esto está relacionado con la adsorción irreversible de nanopartículas CNC en la interfase agua-aceite, es decir, bajo la acción de dispersión ultrasónica externa de alta potencia, una vez adsorbidas en la interfase las nanopartículas CNC utilizadas para estabilizar la interfase agua-aceite, será difícil desconectarse de la interfaz. MC puede estabilizar la emulsión de aceite en agua solo. Sin embargo, debido a la baja energía de disociación interfacial de la emulsión estabilizada con polímeros, el polímero adsorbido en la interfaz se desprenderá gradualmente de la interfaz y volverá a la fase acuosa con el transcurso del tiempo, y finalmente alcanzará un equilibrio dinámico de adsorción reversible. Por lo tanto, el tamaño de partícula de la emulsión estabilizada con MC de polímero anfibio aumentará y su estabilidad disminuirá durante el almacenamiento a largo plazo.

2.4 Digestión simulada en emulsión del contenido de ácidos grasos libres in vitro

El efecto del experimento de digestión simulada in vitro sobre la estabilidad de la emulsión se evaluó detectando el cambio del contenido de ácidos grasos libres con el tiempo de digestión. Como describen DeLoid et al., los triglicéridos (MAG), el componente principal de los aceites comestibles, son lipopólisis por la lipasa pancreática durante la digestión en el intestino delgado para producir ácidos moleculares pequeños libres. De acuerdo con la curva de digestión simulada in vitro de la emulsión a base de celulosa, la emulsión de éter de celulosa/CNC mantuvo una buena estabilidad general después de experimentos de digestión oral, gástrica e intestinal simulados triples, consumió el menor volumen de NaOH, liberó el menor contenido de FFA, es decir, el grado más bajo de lipólisis de triglicéridos. Los resultados mostraron que la cubierta compuesta de éter de celulosa (MC o CMC)/CNC podía estabilizar bien la interfaz aceite-agua y desempeñar un papel aislado en la digestión y la lipólisis de la pancreatina y la lipasa en el fluido intestinal simulado. Sin embargo, la emulsión estabilizada solo con MC o CNC mostró una mayor liberación de FFA, lo que indica que la estabilidad de estas emulsiones fue deficiente después del experimento de digestión fisiológica simulada. Las enzimas digestivas podrían penetrar a través de la capa estabilizadora en la fase oleosa de la emulsión y tener una reacción de lipólisis con el aceite de maíz. Dado que la CMC por sí sola no puede estabilizar la emulsión de aceite en agua, la única muestra de CMC no se incluirá en este experimento de digestión.

2.5 Imagen de microscopio óptico de digestión de simulación de emulsión in vitro

Como se puede ver en imágenes de microscopio óptico de digestión simulada in vitro de emulsión a base de celulosa, éter de celulosa VCNC, MC solo o emulsión estabilizada CNC puede mantener una buena integridad de la gota de leche (morfología y tamaño) después de experimentos simulados del tracto digestivo oral y gástrico. El éter de celulosa aniónico CMC no puede estabilizar la emulsión de aceite en agua por sí solo porque no puede reducir la tensión superficial del sistema. No se discutirá aquí. La ruptura o degradación de la emulsión se produjo principalmente en el tracto digestivo del intestino delgado simulado. Después del tratamiento de todo el sistema digestivo simulado (saliva simulada, fluido gástrico simulado y fluido intestinal simulado, SSF, SGF y SIF), la emulsión compuesta de éter de celulosa/CNC mostró la mejor estabilidad de la emulsión, es decir, el contenido más bajo de ácidos grasos libres y el menor cambio en el tamaño de las gotas de leche. Sin embargo, después de la digestión de simulación SSF, SGF y SIP, el contenido de ácidos grasos libres fue el más alto, el tamaño de las gotas de leche aumentó significativamente y aparecieron áreas grises irregulares u ovaladas en las imágenes del microscopio óptico, que pueden ser gotas de aceite filtradas. Después de la digestión de simulación SSF, SGF y SIF, el contenido de ácidos grasos libres de la emulsión única estabilizada con CNC fue ligeramente inferior al de la emulsión de éter de celulosa, pero aún aparecían áreas grises irregulares en las imágenes del microscopio óptico, lo que indica que la emulsión también estaba dañada en gran medida. .

3. Conclusión

1) En comparación con la emulsión O/W estabilizada solo con éter de celulosa o CNC, el efecto sinérgico entre el éter de celulosa y CNC mejoró la estabilidad física de la emulsión compuesta. Después de 30 días de almacenamiento a temperatura ambiente, la emulsión de éter de celulosa/CNC no tuvo ningún cambio de tamaño de partícula evidente ni problema de extracción de aceite, y se mejoró la estratificación.

2) La emulsión CNC modificada con éter de celulosa mostró una mejor tolerancia a la saliva artificial, el fluido gástrico y el fluido intestinal en el experimento de digestión gastrointestinal simulada, y tuvo el contenido más bajo de ácidos grasos libres en la liolisis, lo que reveló el valor de aplicación potencial de este tipo de emulsión compleja. en una dieta saludable y redujo el riesgo de obesidad.

3) El efecto de mejora de la estabilidad del éter de celulosa no iónico MC sobre la emulsión compuesta fue mayor que el del éter de celulosa aniónico CMC.