Estudio del efecto de complejos biopoliméricos en la estabilización y propiedades funcionales de emulsiones múltiples conteniendo hierro biglicinado - Jiménez Alvarado, Rubén (Universidad Autónoma Metropolitana, 2010)
Considerando la importancia que tiene el hierro en la biosíntesis de moléculas vitales (hemoglobina, miohemoglobina, enzimas metabólicas, etc.), hay una tendencia creciente a enriquecer la dieta con hierro. Entre las fuentes de hierro utilizadas, el hierro biglicinado tiene mejor potencial como fortificante para alimentos debido a su nivel de absorción en el intestino, y que esta absorción no se ve disminuida por precipitación ni por su unión con otras moléculas. Sin embargo, el hierro biglicinado aumenta en mayor grado la oxidación de ácidos grasos insaturados en comparación con otros fortificantes. Otro inconveniente es su inestabilidad, debido a que es oxidado a su forma férrica. Dicho inconveniente puede ser atenuado mediante su encapsulación en una emulsión. Por ese motivo, en este trabajo se entrampó una solución acuosa de hierro biglicinado en la fase acuosa interna (W1) de una emulsión múltiple (W1/O/W2). Se formuló una emulsión primaria (W1/O) la cual contuvo 15% (p/p) de hierro biglicinado, equivalente a una fracción másica de fase dispersa () de 0.5 constituida por una solución acuosa de hierro biglicinado al 30% de sólidos. Se seleccionaron los tensoactivos adecuados para estabilizar a la emulsión W1/O en base al valor de su balance hidrófilo lipófilo (HLB), y se determinó la concentración y proporción de tensoactivos más adecuados para estabilizar a la emulsión W1/O, encontrándose que la emulsión W1/O más estable fue la estabilizada con una mezcla de Grindsted PGPR 90:Panodan SDK (proporción 6:4) con una concentración total de tensoactivos de 10% (p/p). La emulsión primaria fue reemulsificada para preparar la emulsión múltiple W1/O/W2, la cual contuvo una fracción másica de fase dispersa de 0.2. Se establecieron los valores de pH a los cuales existía interacción electrostática entre la proteína (concentrado de proteína de suero de leche (WPC)) y los polisacáridos probados (goma arábiga (GA), goma de mezquite (MG), y pectina de bajo metoxilo (LMP)) para formar complejos biopoliméricos. Se encontró que hay un valor de pH donde existe la máxima diferencia estequiométrica de cargas electrostáticas entre proteína y polisacárido (pHE), y que este valor de pH coincide con el pH al cual se obtuvo el máximo rendimiento de coacervado (pHC) para cada complejo proteína:polisacárido (Pr:Ps) probado, siendo igual a 3 para el sistema binario WPC:GA, 3.5 para el sistema WPC:MG, y 3.0 para el sistema WPC:LMP. Se evaluaron diferentes concentraciones y proporciones entre biopolímeros en solución acuosa para determinar cuáles producían el mayor rendimiento de coacervado. Se encontró que una proporción Pr:Ps igual a 2:1 produjo el mayor rendimiento de coacervado para los tres sistemas binarios. La concentración total de biopolímeros a la cual se obtuvo el máximo rendimiento de coacervado varió para cada sistema binario, encontrándose que era necesaria una concentración total de biopolímeros de 5% (p/p), para los sistemas WPC:GA y WPC:MG, y de 0.7% (p/p) para el sistema WPC:LMP. Se formularon emulsiones W1/O/W2 en base a los resultados obtenidos de interacción entre biopolímeros y rendimiento de coacervado. Se determinaron las cinéticas de coalescencia de las emulsiones múltiples, siguiendo el cambio en el tamaño de partícula (d3,0) en el tiempo, encontrándose que la emulsión W1/O/W2 estabilizada con WPC:MG presentó tamaños de gota más pequeños (2.05 m), y menor tasa de coalescencia (7.09 x 10-7 s-1). Se evaluó el efecto protector de las emulsiones múltiples contra la oxidación del hierro biglicinado, encontrándose una mejor protección contra la oxidación del hierro biglicinado (29.75% Fe3+) proporcionada por la emulsión W1/O/W2 estabilizada con WPC:MG. Se determinaron las cinéticas de liberación de hierro biglicinado desde W1 hacia W2 en las emulsiones múltiples, y los datos experimentales fueron ajustados a siete diferentes modelos cinéticos de liberación, siendo el modelo de Higuchi el que mejor ajustó a los datos experimentales. Se encontró una tasa de liberación de hierro biglicinado más lenta desde W1 hacia W2 (KH = 0.69 mg mL-1 min-0.5 en las primeras 24 horas y KH = 0.07 mg mL-1 min-0.5 para los siguientes 19 días de almacenamiento, siendo KH la constante cinética de liberación del modelo de Higuchi) en la emulsión múltiple estabilizada con WPC:MG. Se evaluaron las propiedades reológicas de las emulsiones múltiples W1/O/W2 encontrándose que todas las emulsiones presentaron un comportamiento reoadelgazante, y que la emulsión estabilizada con el sistema binario WPC:LMP presentó un carácter más elástico (G ́ > G ́ ́) lo cual dio como resultado una emulsión con mayor tamaño de partícula y mayor polidispersidad debido a que ofreció mayor dificultad para la redispersión de la emulsión primaria, siendo por consecuencia menos estable. Se obtuvieron mejores resultados en cuanto a eficiencia de encapsulación, protección contra la oxidación, y tasas de liberación más lentas de hierro biglicinado conforme aumentó el peso molecular del polisacárido que formó al complejo proteína:polisacárido. De acuerdo a estos resultados, el factor que probablemente afectó en mayor medida la funcionalidad global de las emulsiones múltiples fue el grosor del complejo adsorbido alrededor de las gotas de aceite en las emulsiones W1/O/W2. Dicho grosor fue determinado indirectamente midiendo el diámetro z-promedio de los complejos, resultando que el valor mayor (529.4 nm) fue encontrado para el complejo WPC:MG.; A boost in the use of iron as food fortificant has occurred recently due to its importance in the biosynthesis of vital molecules (hemoglobin, miohemoglobin, metabolic enzymes, among others). Ferrous bisglycinate has a higher potential as fortificant, among the diverse sources of iron, because of its high bioavailability and absorption through the intestine are not limited by precipitation or by interaction with other molecules. Nevertheless, compared with other fortificants, ferrous bisglycinate increases markedly the oxidation of unsaturated fatty acids. Another disadvantage is its instability against oxidation. This disadvantage can be diminished through its encapsulation within an emulsion. Thus, a ferrous bisglycinate aqueous solution was entrapped in the inner phase (W1) of water-in-oil-in-water (W1/O/W2) multiple emulsions. A ferrous bisglycinate aqueous solution-in-mineral oil (W1/O) emulsion containing 15% (w/w) ferrous bisglycinate and a dispersed phase mass fraction of 0.5 was formulated. Based on the hydrophilic-lipophilic balance (HLB) the most appropriate surfactants were selected for the stabilization of the W1/O emulsion. The concentration and ratio between surfactants were determined, finding that the W1/O emulsion was best stabilized with a mixture of Grindsted PGPR 90:Panodan SDK (6:4 ratio) with a total emulsifiers concentration of 10% (w/w). This primary emulsion was re-emulsified in order to prepare W1/O/W2 multiple emulsions with a dispersed mass fraction of 0.2. The pH value at which the strongest electrostatic interaction between the protein (whey protein concentrate (WPC)) and the polysaccharides (gum arabic (GA), mesquite gum (MG), and low methoxyl pectin (LMP)) exists was determined. It was found that there is a pH value at which the maximum difference of electrostatic charges between protein and polysaccharide (pHE) is reached, and this pH value agrees with the pH value at which the maximum coacervate yield was reached (pHC) for each protein:polysaccharide complex (Pr:Ps) tested, being equal to 3 for the binary system WPC:GA, 3.5 for the system WPC:MG, and 3.0 for the system WPC:LMP. The coacervate yield varying the concentration and ratios between the polysaccharides in aqueous solutions was determined. It was found that the highest coacervate yield took place at 2:1 ratio (Pr:Ps) for all the binary systems. The total biopolymers concentration, at which the maximum coacervate yield was obtained, was different for each binary system, finding that a total biopolymers concentration of 5% (w/w) was necessary for the WPC:GA and WPC:MG binary systems, and 0.7% (w/w) for the WPC:LMP binary system. Based on the results regarding the biopolymers interaction and coacervate yield, W1/O/W2 multiple emulsions were formulated. The coalescence rates of the W1/O/W2 multiple emulsions were determined following the change in their droplet size (d3,0) through time, finding that the W1/O/W2 multiple emulsion stabilized with WPC:MG showed the smallest droplet sizes (2.05 m), and a slower coalescence rate (7.09 x 10-7 s-1). The protective effect of the W1/O/W2 multiple emulsions against oxidation of ferrous bisglycinate was evaluated, finding that the W1/O/W2 multiple emulsion stabilized with WPC:MG was the one that provided a better protection against ferrous bisglycinate oxidation (29.75% Fe3+). The rate of ferrous bisglycinate release from W1 to W2 in the W1/O/W2 multiple emulsions was determined. The experimental data were fitted to seven different release kinetic models, best fitting model being Higuchi’s. A slower release rate (KH) of ferrous bisglycinate, from W1 to W2 (KH= 0.69 mg mL-1 min-0.5) occurred in the first 24 hours, followed by a release rate of 0.07 mg mL-1 min-0.5 during the next 19 days of storage time in the W1/O/W2 multiple emulsion stabilized with WPC:MG. The rheological properties of the W1/O/W2 multiple emulsions were evaluated, finding that all the emulsions showed a shear-thinning behavior, and the emulsion stabilized with the WPC:LMP binary system showed an elastic modulus (G’) larger than the viscous modulus (G ́ ́), which resulting in the least stable emulsion, with a bigger droplet size and a higher polydispersity because it was more difficult to re-disperse in the primary emulsion. Better encapsulation efficiencies, enhanced protection against oxidation and slower release rates of ferrous bisglycinate were achieved as the molecular weight of the polysaccharide making up protein:polysaccharide complex was higher. The multiple emulsion showing the best functional properties was that stabilized with the WPC:MG complex. Thus, the factor that probably affected most the overall functionality of multiple emulsions was the thickness of the complex adsorbed around the multiple emulsion oil droplets. These thicknesses were determined indirectly by measuring the z-average diameter of the complexes, and that of the WPC:MG (529.4 nm) was the largest.