Ενθυλάκωση βιοδραστικών ενώσεων σε φυσικά πολυμερή με εφαρμογή καινοτόμων μεθόδων νανοεγκλεισμού με σκοπό την ενσωμάτωσή τους σε συστήματα τροφίμων

Δρόσου, Χριστίνα Γ.

dc.contributor.author	Δρόσου, Χριστίνα Γ.
dc.date.accessioned	2021-11-26T08:52:15Z
dc.date.available	2021-11-26T08:52:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54102
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21800
dc.rights	Default License
dc.subject	Μικρο- και νανο- εγκλεισμός	el
dc.subject	Ηλεκτροστατική ινοποίηση	el
dc.subject	Ξήρανση με ψεκασμό	el
dc.subject	Ξήρανση υπό κατάψυξη	el
dc.subject	Βιοπολυμερή	el
dc.subject	Καροτενοειδή	el
dc.subject	Micro- and nano- encapsulation	en
dc.subject	Electrospinning process	en
dc.subject	Spray drying	en
dc.subject	Freeze drying	en
dc.subject	Biopolymers	en
dc.subject	Carotenoids	en
dc.title	Ενθυλάκωση βιοδραστικών ενώσεων σε φυσικά πολυμερή με εφαρμογή καινοτόμων μεθόδων νανοεγκλεισμού με σκοπό την ενσωμάτωσή τους σε συστήματα τροφίμων	el
dc.contributor.department	Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων. Εργαστήριο Σχεδιασμού και Ανάλυσης Διεργασιών	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Encapsulation of bioactive compounds in natural polymers through novel nano encapsulation techniques for their incorporation into food systems	en
heal.classification	Επιστήμες Μηχανικού και Τεχνολογία	el
heal.classification	Επιστήμη Χημικού Μηχανικού	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-07-13
heal.abstract	Η ανάπτυξη λειτουργικών τροφίμων, τα οποία είναι εμπλουτισμένα με βιοδραστικά συστατικά ώστε να παρέχουν ευεργετικές ιδιότητες στην ανθρώπινη υγεία, αποτελεί έναν τομέα αυξημένου ενδιαφέροντος για τη βιομηχανία τροφίμων. Μεταξύ των βιοδραστικών συστατικών, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων για τη βελτίωση των διατροφικών χαρακτηριστικών και των οργανοληπτικών ιδιοτήτων των υπαρχόντων προϊόντων τροφίμων, σημαντική θέση κατέχουν τα καροτενοειδή. Τα πιο συνήθη χρησιμοποιούμενα καροτενοειδή στη βιομηχανία τροφίμων είναι το β-καροτένιο, το λυκοπένιο, η ασταξανθίνη, η λουτεΐνη και η ζεαξανθίνη, τα οποία ενσωματώνονται στα τρόφιμα λόγω της αντιοξειδωτικής τους δράσης και της χρωστικής τους ικανότητας. Το β-καροτένιο, το οποίο είναι πρόδρομος της βιταμίνης Α, είναι το πιο διαδεδομένο από όλα τα καροτενοειδή και αποτελεί ένα λιπόφιλο μικροθρεπτικό συστατικό που είναι σημαντικό για τη διατήρηση της ανθρώπινης υγείας. Ωστόσο, η χρήση του β-καροτενίου σε λειτουργικά τρόφιμα και συμπληρώματα διατροφής είναι προς το παρόν περιορισμένη λόγω της χαμηλής διαλυτότητάς του στο νερό και της χημικής αστάθειάς του κατά την έκθεσή του σε περιβαλλοντικούς παράγοντες. Επομένως, μια πρόκληση για τη βιομηχανία τροφίμων αποτελεί η ανάπτυξη σταθερών προϊόντων τροφίμων μέσω της διατήρησης της βιοδιαθεσιμότητας των δραστικών συστατικών κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας και της αποθήκευσής τους. Στο πλαίσιο αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές με σκοπό την ενίσχυση της σταθερότητας και της βιοδιαθεσιμότητας των βιοδραστικών συστατικών. Μεταξύ αυτών, οι τεχνικές εγκλεισμού έχουν βρει ευρεία εφαρμογή στη βιομηχανία τροφίμων και βασίζονται στη παγίδευση ενός ενεργού συστατικού σε ένα φορέα κατάλληλο για τρόφιμα με σκοπό την προστασία του έναντι των περιβαλλοντικών συνθηκών και τη στοχευμένη παράδοσή (απελευθέρωσή) του. Υπάρχουν πολλές τεχνικές εγκλεισμού που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη φορέων εγκλεισμού, και ανάλογα με την επιλογή της μεθόδου και τις συνθήκες λειτουργίας της, επηρεάζονται οι λειτουργικές ιδιότητες των δομών που αναπτύσσονται, όπως η μορφολογία, η μικρο- και μακρο- δομή, η απόδοση εγκλεισμού, η σταθερότητα και η παρατεταμένη απελευθέρωση του ενεργού συστατικού. Επομένως, η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου εγκλεισμού είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη προϊόντων εγκλεισμού με επιθυμητές ιδιότητες ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του τροφίμου- φορέα που θα ενσωματωθούν και τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των υλικών του πυρήνα και της επικάλυψης. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη εγκλεισμού β-καροτένιου σε φυσικά πολυμερή και ο έλεγχος της δυνατότητας ενσωμάτωσής του σε συστήματα τροφίμων. Η παρούσα διατριβή εστίασε στη μελέτη επίδρασης της τεχνικής εγκλεισμού στις ιδιότητες των παραγόμενων προϊόντων εγκλεισμού και στη ‘διάρκεια ζωής’ του β-καροτένιου κατά την αποθήκευσή του σε διάφορες συνθήκες. Οι τεχνικές εγκλεισμού που μελετήθηκαν ήταν οι δύο συμβατικές μέθοδοι εγκλεισμού, η ξήρανση με ψεκασμό και η ξήρανση υπό κατάψυξη, όπως και η καινοτόμος μέθοδος της ηλεκτροστατικής ινοποίησης. Ως φορείς εγκλεισμού επιλέχθηκαν τα βιοπολυμερή, όπως η πουλλουλάνη (PUL) και οι πρωτεΐνες του ορού γάλακτος (WPI), τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως ως μήτρες για τον εγκλεισμό βιοδραστικών ουσιών σε προϊόντα τροφίμων λόγω των λειτουργικών και διατροφικών ιδιοτήτων τους. Αρχικά, εξετάστηκε η ανάπτυξη καινοτόμων νανο- ινών μέσω της ηλεκτροστατικής ινοποίησης από μίγματα WPI και PUL με σκοπό τη χρήση τους ως μήτρες ενθυλάκωσης β-καροτένιου για λειτουργικές εφαρμογές στα τρόφιμα. Πιο αναλυτικά, μελετήθηκε η επίδραση της αναλογίας ανάμιξης των δύο συστημάτων βιοπολυμερών (WPI:PUL, 20:80, 30:70, 50:50, 70:30 και 80:20 w/w, αντίστοιχα) στη μορφολογία και διάμετρο των δομών που προέκυψαν και τα αποτελέσματα συσχετίστηκαν με τις ιδιότητες των διαλυμάτων των διαφόρων μιγμάτων, όπως το ιξώδες, η επιφανειακή τάση και η ηλεκτρική αγωγιμότητα. Eπιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση των παραμέτρων λειτουργίας της διεργασίας, όπως η ροή του διαλύματος (0,4-0,6 mL/h), η εφαρμοζόμενη τάση (18-22 kV) και η απόσταση μεταξύ του τριχοειδούς στομίου και του συλλέκτη (8-12 cm), στη μορφολογία των ινών μέσω του πειραματικού σχεδιασμού κεντρικού σημείου. Η μορφολογία και διάμετρος των δομών προσδιορίστηκε μέσω της μικροσκοπίας σάρωσης ηλεκτρονίων (Scanning Electron Microscopy, SEM) και η μελέτη της μοριακής αλληλεπίδρασης των βιοπολυμερών εξετάστηκε μέσω της τεχνικής φασματοσκοπίας ATR-FTIR. Τέλος, οι θερμικές ιδιότητες των δομών, όπως η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg) και η θερμική σταθερότητα, προσδιορίστηκαν μέσω της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC) και της θερμοσταθμικής ανάλυσης (Thermogravimetric analysis, TGA). Η προσθήκη της PUL στα μίγματα, σε συγκέντρωση μεγαλύτερη από 50% wt., είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του ιξώδους και τη μείωση της αγωγιμότητας των διαλυμάτων, γεγονός που ευνόησε το σχηματισμό πιο ομοιόμορφων νανο- ινών με διάμετρο περίπου 231 nm. Επιπλέον, η αύξηση της συγκέντρωσης της PUL στο διάλυμα οδήγησε στο σχηματισμό ινών μεγαλύτερης διαμέτρου. Όσον αφορά τις παραμέτρους λειτουργίας της διεργασίας, η διάμετρος των ινών αυξήθηκε με την αύξηση της ροής του διαλύματος, ενώ η επίδραση αυτής της παραμέτρου στη μορφολογία των ινών μειώθηκε όταν το ιξώδες του διαλύματος ήταν χαμηλό. Από την άλλη πλευρά, η εφαρμοζόμενη τάση και η απόσταση μεταξύ του τριχοειδούς στομίου και του συλλέκτη δεν είχαν σημαντική επίδραση στο μέγεθος των νανο- ινών. Επομένως, οι ιδιότητες του διαλύματος αποτελούν την πιο σημαντική παράμετρο για την ηλεκτροστατική ινοποίηση χρησιμοποιώντας αυτής της φύσης υδροκολλοειδή μίγματα. Η τεχνική ATR-FTIR επιβεβαίωσε την ύπαρξη και των δύο βιοπολυμερών στις σύνθετες νανο- ίνες καθώς και την παρουσία ενδομοριακών αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους. Όσον αφορά τις θερμικές ιδιότητες των δομών, η Tg κυμάνθηκε από 32,2°C έως 50,6°C και η τιμή της μειώθηκε με την αύξηση της συγκέντρωσης της PUL στις νανο- ίνες. Τέλος, οι ίνες WPI:PUL έδειξαν ελαφρώς καλύτερη θερμική σταθερότητα από εκείνη της καθαρής WPI γεγονός που επιβεβαιώνεται από τις αλληλεπιδράσεις που σημειώνονται μεταξύ των πρωτεϊνικών συστατικών και των αλυσίδων του πολυσακχαρίτη με βάση την ανάλυση της φασματοσκοπίας ATR-FTIR. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη εγκλεισμένων δομών β-καροτένιου μέσω των μεθόδων της ηλεκτροστατικής ινοποίησης (EL), της ξήρανσης με ψεκασμό (SP) και της ξήρανσης υπό κατάψυξη (FZ) με χρήση WPI και PUL ως φορέων εγκλεισμού. Για κάθε μέθοδο εγκλεισμού, μελετήθηκε η επίδραση και η βελτιστοποίηση των παραμέτρων λειτουργίας της ως προς την απόδοση εγκλεισμού του β-καροτένιου με χρήση της μεθοδολογίας των αποκριτικών επιφανειών και του πειραματικού σχεδιασμού κεντρικού σημείου. Συγκεκριμένα, για την ηλεκτροστατική ινοποίηση, οι παράμετροι λειτουργίας που μελετήθηκαν ήταν η ροή διαλύματος της μήτρας εγκλεισμού (Χ1: 2,0-2,4 mL/h), η ροή διαλύματος του β-καροτένιου (Χ2: 0,1-0,2 mL/h), η εφαρμοζόμενη τάση (Χ3: 19-23 kV) και η απόσταση μεταξύ του τριχοειδούς στομίου και του συλλέκτη (Χ4: 17-19 cm) με χρήση μίγματος WPI:PUL (30:70) και PUL ως φορέων εγκλεισμού. Για την ξήρανση με ψεκασμό, μελετήθηκαν η συγκέντρωση του γαλακτώματος (Χ1: 4-8% w/w), η ροή του γαλακτώματος (Χ2: 200-800 mL/h) και η θερμοκρασία εισόδου του αέρα (Χ3: 160-180°C), ενώ στην ξήρανση υπό κατάψυξη εξετάστηκε η επίδραση της συγκέντρωσης του γαλακτώματος (4-8% w/w) στην απόδοση εγκλεισμού του β-καροτένιου με χρήση μίγματος WPI:PUL (80:20) ως φορέα εγκλεισμού. Η απόδοση εγκλεισμού προσδιορίστηκε με χρήση συστήματος υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης (High Performance Liquid Chromatography, HPLC) και η επαλήθευση της επιτυχίας του εγκλεισμού έγινε με χρήση της τεχνικής ATR-FTIR. Η μορφολογία των δομών μελετήθηκε μέσω της τεχνικής SEM. Στις δομές εγκλεισμού β-καροτένιου που προέκυψαν από τις βέλτιστες συνθήκες των διεργασιών προσδιορίστηκαν οι ισόθερμες ρόφησης καθώς και η Tg στις διάφορες υγρασίες αποθήκευσης που μελετήθηκαν (11%- 95%). Επιπλέον, μελετήθηκε η σταθερότητα του εγκλεισμένου β-καροτένιου κατά την αποθήκευσή του σε διάφορες συνθήκες θερμοκρασίας (25°C, 35°C, 45°C), σχετικής υγρασίας (aw: 0,11, 0,33, 0,53, 0,75, 0,95) και έκθεσης σε ορατή-υπεριώδη ακτινοβολία. Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της εφαρμογής των διαφόρων τεχνικών εγκλεισμού που μελετήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ως κριτήρια η απόδοση της διεργασίας εγκλεισμού, εκτιμώμενη ως το ποσοστό συγκράτησης της προς εγκλεισμό ουσίας σε σχέση με την αρχική της ποσότητα, και η διατήρηση του β-καροτένιου κατά την αποθήκευσή του σε διάφορες συνθήκες. Τα αποτελέσματα της μελέτης της κινητικής υποβάθμισης του β-καροτένιου σε διαφορετικές θερμοκρασίες και ενεργότητες νερού συσχετίστηκαν με τη φυσική κατάσταση (μέσω της μελέτης των ισόθερμων ρόφησης) και την Tg των δομών εγκλεισμού. Όσον αφορά την ηλεκτροστατική ινοποίηση, πραγματοποιήθηκε επιτυχής εγκλεισμός του β-καροτένιου σε ίνες μίγματος WPI:PUL (30:70) και PUL με μέση τιμή απόδοσης εγκλεισμού ίση με 80,52% και 88,98%, αντίστοιχα. Επομένως, η PUL οδήγησε στην ανάπτυξη δομών με υψηλότερη απόδοση εγκλεισμού συγκριτικά με το μίγμα WPI:PUL γεγονός που οφείλεται στο μεγαλύτερο ιξώδες (3,67±0,04 Pa s) και στη μικρότερη αγωγιμότητα (0,35±0,02 mS/cm) του διαλύματος της PUL συγκριτικά με το μίγμα WPI:PUL (0,59±0,01 Pa s και 0,60±0,02 mS/cm) με αποτέλεσμα τη δημιουργία σταθερότερου Taylor cone και φορτισμένoυ αεριωθούμενης μικτής υγρής διασποράς (jet). Με βάση τα αποτελέσματα της μεθοδολογίας αποκριτικών επιφανειών, η μέγιστη απόδοση εγκλεισμού του β-καροτένιου βρέθηκε στις εξής πειραματικές συνθήκες: Χ1= 2,0 mL/h, Χ2= 0,1 mL/h, Χ3=19 kV και Χ4= 17 cm, όπως και Χ1= 2,4 mL/h, Χ2= 0,1 mL/h, Χ3=23 kV και Χ4= 19 cm με χρήση WPI:PUL και PUL, αντίστοιχα, ως φορέων εγκλεισμού. Επιπλέον, η ροή του διαλύματος του β-καροτένιου αποτέλεσε την παράμετρο με τη πιο σημαντική επίδραση στην απόδοση εγκλεισμού και για τους δυο φορείς εγκλεισμού και η αύξησή της οδήγησε σε μείωση της απόδοσης εγκλεισμού. Όσον αφορά τη μελέτη της μορφολογίας των παραγόμενων δομών εγκλεισμού, παρατηρείται ότι η χρήση της PUL ως φορέα εγκλεισμού οδήγησε στην ανάπτυξη ομοιόμορφων ινών, ενώ η παρουσία της WPI στο διάλυμα της μήτρας οδήγησε στην ανάπτυξη ινών με παρουσία επιμηκυμένων σφαιριδίων με διαμέτρους 530,36 και 444,84 nm, αντίστοιχα. Με βάση τη μελέτη των ισόθερμων ρόφησης, οι ίνες μίγματος WPI:PUL (30:70) παρουσίασαν μεγαλύτερα ποσοστά περιεχόμενης υγρασίας σε σχέση με τις ίνες PUL για κάθε ενεργότητα νερού και θερμοκρασία αποθήκευσης. Ακόμα, οι ίνες PUL με εγκλεισμένο β-καροτένιο παρουσίασαν χαμηλότερες τιμές Tg από τις ίνες του μίγματος WPI:PUL σε όλα τα επίπεδα υγρασίας-θερμοκρασίας που μελετήθηκαν, οι οποίες κυμαίνονταν από 34,14°C έως 79,88°C και από 43,18°C έως 83,44°C, αντίστοιχα. Όσον αφορά την ξήρανση με ψεκασμό, το β-καροτένιο εγκλείστηκε αποτελεσματικά σε δομές εγκλεισμού μίγματος WPI:PUL (80:20) με μέση απόδοση εγκλεισμού 71,92%. Η μέγιστη απόδοση εγκλεισμού του β-καροτένιου βρέθηκε στις εξής πειραματικές συνθήκες: Χ1= 6,0% w/w, Χ2= 500 mL/h, Χ3=170°C. Οι μεταβλητές με τη μεγαλύτερη επίδραση στην απόδοση εγκλεισμού του β-καροτένιου ήταν η συγκέντρωση του γαλακτώματος και η ροή του γαλακτώματος, ενώ η θερμοκρασία εισόδου του αέρα δεν συνέβαλε σημαντικά, τουλάχιστον στο εύρος των τιμών που μελετήθηκαν (160-180°C). Τα προϊόντα εγκλεισμού που προέκυψαν μέσω της ξήρανσης με ψεκασμό παρουσίασαν σφαιρικό σχήμα με ακανόνιστες επιφάνειες, χωρίς ορατές ρωγμές ή σπασίματα σε όλο το εύρος συγκεντρώσεων που εξετάστηκαν (4-8% w/w), με μέση διάμετρο της τάξης των 6,53 μm. Η Tg των σωματιδιακών φορέων WPI:PUL κυμάνθηκε από 61,01°C έως 87,17°C στις τρεις θερμοκρασίες αποθήκευσης των εγκλεισμάτων που εξετάστηκαν (25, 35, 45°C)ˑ παρατηρήθηκε ότι η αύξηση της περιεχόμενης υγρασίας στα δείγματα οδήγησε σε μείωση της Tg ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας αποθήκευσης των δειγμάτων οδήγησε σε υψηλότερες τιμές Tg. Όσον αφορά την ξήρανση υπό κατάψυξη, πραγματοποιήθηκε επιτυχής ανάπτυξη εγκλεισμένων δομών β-καροτένιου με χρήση μίγματος WPI:PUL (80:20) ως φορέα εγκλεισμού, με μέση απόδοση εγκλεισμού 66,36% και μια μέγιστη απόδοση εγκλεισμού του β-καροτένιου για συγκέντρωση γαλακτώματος ίση με 8% w/w. Τα προϊόντα εγκλεισμού που αναπτύχθηκαν παρουσίασαν μία άμορφη δομή με φυλλώδη εμφάνιση, η οποία αποτελεί χαρακτηριστική μορφολογική δομή των λυοφιλιωμένων προϊόντων. Η Tg των δομών εγκλεισμού επίσης μειώθηκε με την αύξηση της υγρασίας αποθήκευσης, με την τιμή της να κυμαίνεται στο εύρος από 59,01°C έως 93,25°C, για τις τρεις θερμοκρασίες αποθήκευσης του προϊόντος. Με βάση τα παραπάνω συμπεραίνεται ότι, ανάλογα με την τεχνική εγκλεισμού που εφαρμόζεται, παρατηρούνται σημαντικές διαφορές στη μορφολογία, στην απόδοση εγκλεισμού του β-καροτένιου και στις θερμικές ιδιότητες των παραγόμενων δομών. Πιο αναλυτικά, η κάθε μέθοδος οδήγησε στην ανάπτυξη δομών με διαφορετική μορφολογία με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η επιλογή της κατάλληλης δομής που θα χρησιμοποιηθεί ανάλογα με την επιδιωκόμενη τελική εφαρμογή των προϊόντων εγκλεισμού. Σχετικά με την απόδοση εγκλεισμού για τις τρεις μεθόδους που εξετάστηκαν, οι δομές εγκλεισμού EL παρουσίασαν τη μεγαλύτερη απόδοση και ακολούθησαν οι SP και FZ. Σε κάθε περίπτωση, οι αποδόσεις εγκλεισμού που σημειώθηκαν ήταν πολύ υψηλές και για τις τρεις μεθόδους (>65%), γεγονός που αποδεικνύει την καταλληλότητα αυτών των τεχνικών για την ανάπτυξη εγκλεισμένων δομών β-καροτένιου. Όσον αφορά τη μελέτη αποικοδόμησης του εγκλεισμένου β-καροτένιου μέσω των τριών τεχνικών κατά την έκθεσή των εγκλεισμάτων σε ορατή-υπεριώδη ακτινοβολία, η σταθερά κινητικής απώλειας του καροτενοειδούς παρουσίασε τη μικρότερη τιμή και αντίστοιχα το μεγαλύτερο χρόνο ημιζωής για τις δομές SP και ακολούθησαν οι δομές EL-WPI:PUL και FZ και τέλος οι EL-PUL. Συγκριτικά με το χρόνο ημιζωής του ελεύθερου β-καροτένιου, ο εγκλεισμός του σε φορείς WPI και PUL οδήγησε σε αύξηση του χρόνου ημιζωής κατά 11,01, 4,50, 3,36, 1,16 φορές για τις δομές SP, EL-WPI:PUL, FZ και EL-PUL, αντίστοιχα. Σχετικά με τη μελέτη για το ρυθμό αποικοδόμησης του εγκλεισμένου β-καροτένιου κατά την αποθήκευσή του σε διάφορες συνθήκες υγρασίας και θερμοκρασίας, η διεργασία αυτή βρέθηκε να περιγράφεται ικανοποιητικά από το μοντέλο κινητικής αντιδράσεων πρώτης τάξης για όλες τις δομές εγκλεισμού που αναπτύχθηκαν. Επιπλέον, σε όλες τις δομές εγκλεισμού που μελετήθηκαν παρατηρήθηκε μια προφανής αύξηση στη σταθερά του ρυθμού αποικοδόμησης (k) και μια αντίστοιχη μείωση του χρόνου ημιζωής του β-καροτένιου με την αύξηση της υγρασίας και της θερμοκρασίας αποθήκευσης. Συγκεκριμένα, οι τιμές k αυξήθηκαν με την αύξηση της aw, σημειώνοντας μέγιστη τιμή στην ενδιάμεση ενεργότητα νερού (aw=0,53), και στη συνέχεια μειώθηκαν για aw=0,75 και 0,95, γεγονός που οφείλεται στη δομική κατάρρευση των δειγμάτων. Αντίθετα, η αποθήκευση των ινών σε περιβάλλοντα με χαμηλή ενεργότητα νερού (aw=0,11 και 0,33) οδήγησε σε αυξημένη προστασία του β-καροτένιου. Συγκρίνοντας τις δομές εγκλεισμού που αναπτύχθηκαν ως προς την αποτελεσματικότητα διατήρησης του β-καροτένιου συμπεραίνεται ότι οι δομές SP παρουσίασαν τη μέγιστη σταθερότητα του β-καροτένιου και ακολούθησαν οι δομές EL και FZ σε όλες τις ενεργότητες νερού και τις θερμοκρασίες που μελετήθηκαν. Συγκεκριμένα, σε ενεργότητα νερού aw=0,11 και θερμοκρασία αποθήκευσης 25°C, όπου σημειώθηκε η μέγιστη σταθερότητα του εγκλεισμένου β-καροτένιου, ο χρόνος ημιζωής του ήταν 130,27, 22,16, 18,68 weeks για τις δομές SP, EL-WPI:PUL και FZ, αντίστοιχα. Τέλος, ο προσδιορισμός της Tg δεν βρέθηκε να αποτελεί αξιόπιστη προσέγγιση για να μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά στην πρόβλεψη της σταθερότητας του β-καροτένιου. Πλέον συγκεκριμένα, βρέθηκε ότι σημαντική απώλεια του β-καροτένιου παρουσιάζεται ακόμη και σε θερμοκρασίες κάτω από τη θερμοκρασία Tg των άμορφων υλικών που χρησιμοποιήθηκαν ως φορείς εγκλεισμού. Τέλος, οι εγκλεισμένες δομές ενσωματώθηκαν σε λευκή σοκολάτα και μελετήθηκε η επίδραση της ενσωμάτωσης του β-καροτένιου υπό ελεύθερη (CF) ή εγκλεισμένη μορφή (CEL, CS, CFZ μέσω της τεχνικής EL, SP, FZ, αντίστοιχα) στα ποιοτικά τους χαρακτηριστικά (όπως, το χρώμα, η θερμοκρασία τήξης, το ιξώδες και η σκληρότητα), η διατηρησιμότητά των ποιοτικών χαρακτηριστικών των προϊόντων και η σταθερότητα του β-καροτένιου κατά την αποθήκευσή των προϊόντων για διάστημα 4 μηνών σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Με βάση τα αποτελέσματα της επίδρασης της ενσωμάτωσης των εγκλεισμένων δομών β-καροτένιου στα ποιοτικά χαρακτηριστικά των προϊόντων λευκής σοκολάτας, παρατηρούνται διαφορές ανάλογα με την τεχνική εγκλεισμού που εφαρμόστηκε για την ανάπτυξη των δομών β-καροτένιου. Συγκεκριμένα, όσον αφορά τις θερμικές ιδιότητες των προϊόντων, δεν παρουσιάστηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των θερμοκρασιών κορυφής και ολοκλήρωσης της τήξης των δειγμάτων με εγκλεισμένο β-καροτένιο σε σχέση με το δείγμα αναφοράς. Ωστόσο, τα δείγματα CF και CS παρουσίασαν μικρότερη ενέργεια τήξης (φαινομενική ενθαλπία) σε σχέση με το δείγμα αναφοράς, σε αντίθεση με τα δείγματα CFZ και CEL τα οποία παρουσίασαν μεγαλύτερη. Επομένως, τα δείγματα CFZ και CEL παρουσιάζουν μια πιο συμπαγή δομή σε σχέση με τα άλλα δείγματα που εξετάστηκαν. Σχετικά με τις ρεολογικές ιδιότητες, το πλαστικό ιξώδες των δειγμάτων CF και CS δεν διέφερε σημαντικά από το δείγμα αναφοράς CC (p< 0,05), ενώ το ιξώδες των δειγμάτων CFZ και CEL ήταν μεγαλύτερο από το CC, με μέγιστο για το δείγμα CFZ. Όσον αφορά την τάση διαρροής, όλα τα δείγματα που εξετάστηκαν παρουσίασαν σημαντικές διαφορές σε σχέση με το δείγμα αναφοράς (p< 0,05) και ιδιαίτερα στην περίπτωση του δείγματος CEL όπου η τάση διαρροής ήταν αρκετά μεγαλύτερη σε σχέση με τα άλλα δείγματα. Η σκληρότητα των δειγμάτων CF και CS δεν παρουσίασε σημαντικές διαφορές με το δείγμα CC, σε αντίθεση με τα δείγματα CFZ και CEL. Το δείγμα CFZ παρουσίασε ελαφρώς αυξημένη σκληρότητα σε σχέση με το δείγμα αναφοράς ενώ το δείγμα CEL μικρότερη. Σχετικά με τις μεταβολές στο χρώμα από την προσθήκη του εγκλεισμένου και μη β-καροτένιου, η ενσωμάτωση εγκλεισμένων δομών β-καροτένιου αποτέλεσε μια αποτελεσματική μέθοδο για την κάλυψη του έντονου χρώματος του β-καροτένιου. Συγκριτικά με τις δομές εγκλεισμού που ενσωματώθηκαν στη λευκή σοκολάτα, οι δομές που προέκυψαν μέσω της ηλεκτροστατικής ινοποίησης οδήγησαν στην ανάπτυξη προϊόντων λευκής σοκολάτας τα οποία προσεγγίζουν τις τιμές των παραμέτρων a* και b* του δείγματος αναφοράς. Στη συνέχεια, ακολουθεί το δείγμα CS, ενώ το δείγμα CFZ προσεγγίζει τις τιμές του δείγματος CF με ελεύθερο β-καροτένιο. Με βάση τα αποτελέσματα της διατηρησιμότητας των ποιοτικών χαρακτηριστικών των προϊόντων λευκής σοκολάτας, παρατηρήθηκε αύξηση του σημείου τήξης, των τιμών των ρεολογικών παραμέτρων και της σκληρότητας με την αύξηση του χρόνου αποθήκευσης ενώ οι τιμές των χρωματικών δεικτών a* και b* μειώθηκαν για όλα τα δείγματα που εξετάστηκαν. Μεταξύ των μελετηθέντων φορέων εγκλεισμού, τα προϊόντα λευκής σοκολάτας CS παρείχαν την καλύτερη προστασία ως προς τη σταθερότητα του χρώματος και ακολούθησαν τα δείγματα CEL και CFZ. Ακόμα, η ενσωμάτωση του β-καροτένιου σε εγκλεισμένη μορφή στα προϊόντα λευκής σοκολάτας οδήγησε στην καλύτερη διατήρηση της σταθερότητας του χρώματος σε σχέση με τη μη εγκλεισμένη μορφή. Τέλος, η σταθερά κινητικής αποικοδόμησης παρουσίασε τη μικρότερη τιμή και αντίστοιχα το μεγαλύτερο χρόνο ημιζωής για τα δείγματα CS, ενώ ακολούθησαν τα δείγματα CEL και CFZ. Συγκριτικά με το χρόνο ημιζωής του β-καροτένιου στα δείγματα CF, η ενσωμάτωσή του σε φορείς εγκλεισμού αύξησε το χρόνο ημιζωής κατά 12,39, 2,27, 4,22 φορές για τα προϊόντα CS, CFZ και CEL, αντίστοιχα. Από την παρούσα μελέτη επομένως συμπεραίνεται ότι ο εγκλεισμός αποτελεί μια αποτελεσματική τεχνική για την ενίσχυση του χρόνου ζωής του β-καροτένιου και την μετέπειτα ενσωμάτωσή του σε συστήματα τροφίμων οδηγώντας έτσι στην παραγωγή νεών/καινοτόμων λειτουργικών προϊόντων υψηλών προδιαγραφών όσον αφορά τα βιολειτουργικά τους χαρακτηριστικά.	el
heal.abstract	The development of functional foods, which are enriched with bioactive ingredients providing beneficial properties to human health, is an area of growing interest for the food industry. Among the bioactive ingredients, which are widely used in the food industry improving the nutritional characteristics and organoleptic properties of existing food products, carotenoids play an important role. The most commonly used carotenoids in the food industry are β-carotene, lycopene, astaxanthin, lutein and zeaxanthin, which are incorporated into foods due to their antioxidant activity and coloring properties. β-carotene, which is a precursor of vitamin A, is the most common of all carotenoids and is a lipophilic micronutrient that is important for maintaining human health. However, the use of β-carotene in functional foods and supplements is currently limited due to its low solubility in water and its chemical instability when exposed to environmental factors. Therefore, a challenge for the food industry is to develop stable food products by maintaining the bioavailability of the active ingredients during their processing and storage. In this context, various techniques have been developed in order to enhance the stability and bioavailability of bioactive ingredients. Among them, encapsulation techniques have found wide application in the food industry and are based on trapping an active ingredient in a food-suitable carrier in order to protect it against environmental conditions and enhance its targeted delivery (release). There are many encapsulation techniques that can be used to develop carrier systems, and depending on the choice of method and its operating conditions, the functional properties of the structures are affected, such as morphology, micro- and macrostructure, encapsulation efficiency, stability and prolonged release of the active ingredient. Therefore, the selection of the appropriate encapsulation method is necessary for the development of encapsulation products with desired properties depending on the characteristics of the carrier food to be incorporated and the physical and chemical properties of the core and coating materials. The aim of this PhD dissertation was to study the encapsulation of β-carotene in natural polymers and to test its ability to be incorporated into food systems. The present PhD dissertation focuses on the study of the effect of the encapsulation technique on the properties of the encapsulation products and on the 'shelf life' of β-carotene during storage under various conditions. The encapsulation techniques studied were the two conventional encapsulation methods, spray drying and freeze-drying, as well as the innovative electrospinning process. Biopolymers such as pullulan (PUL) and whey protein isolate (WPI), which are widely used as matrices for the encapsulation of bioactive substances in food products due to their functional and nutritional properties, have been selected as encapsulation carriers. Initially, the development of innovative electrospun nanofibers from blends of WPI and PUL through electrospinning process was investigated in order to be used as β-carotene encapsulation matrices for functional food applications. More specifically, the effect of different blend proportions of the two biopolymer systems (WPI: PUL, 20:80, 30:70, 50:50, 70:30 and 80:20 w/w, respectively) on the morphology and diameter of the developed structures was investigated and the results were correlated with the properties of the solutions of the various blends, such as viscosity, surface tension and electrical conductivity. In addition, the effect of the process operating parameters on the fiber morphology, such as solution flow rate (0.4-0.6 mL/h), applied voltage (18-22 kV) and the tip-to-collector distance (8-12 cm), was studied using a central composite design (CCD). The morphology and diameter of the structures were determined by scanning electron microscopy (SEM) and the molecular interactions between biopolymers was examined by attenuated total reflectance infrared spectroscopy (ATR-FTIR). Finally, the thermal properties of the structures, such as glass transition temperature (Tg) and thermal stability, were determined through Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermogravimetric analysis (TGA). The addition of pullulan in the blends, at a concentration greater than 50% wt., resulted in increased viscosity and lower conductivity of the solutions which were beneficial to form more uniform nanofibers with diameters of around 231 nm. In addition, increasing the concentration of PUL in the solution led to the formation of larger fiber diameters. In terms of process operating parameters, the fiber diameter increased as the flow rate augmented, while the effect of this parameter diminished when the solution viscosity was low. On the other hand, applied voltage and tip-to-collector distance did not have excessive influence on the size of the nanofibers. Therefore, solution properties are the most significant parameter for the electrospinning process using such hydrocolloid mixtures. Infrared spectroscopy indicated that the composite fibers exhibited spectral features of both polymeric components, besides pointing to intermolecular interactions between the polymeric species. Regarding the thermal properties of the structures, Tg ranged from 32.2°C to 50.6°C and its value decreased with increasing concentration of PUL in nanofibers. Finally, WPI:PUL fibers showed slightly better thermal stability than that of the pure WPI which seems to concur with the interactions noted between the protein components and the polysaccharide chains by the FTIR spectroscopy. Subsequently, the development of b-carotene loaded structures was performed by electrospinning process (EL), spray drying (SP) and freeze-drying (FZ) using WPI and PUL as wall materials. For each encapsulation method, the effect and optimization of the operating parameters in terms of β-carotene encapsulation efficiency was studied using the response surface methodology (RSM) and central composite design (CCD). Specifically, regarding the electrospinning process, the operating parameters studied were the solution flow rate of the wall material (X1: 2.0-2.4 mL/h), the solution flow rate of β-carotene solution (X2: 0.1-0, 2 mL/h), the applied voltage (X3: 19-23 kV) and the tip-to-collector distance (X4: 17-19 cm) using a mixture of WPI: PUL (30:70) and PUL as wall materials. As regards spray drying, the emulsion concentration (X1: 4-8% w/w), the emulsion flow rate (X2: 200-800 mL/h) and the inlet air temperature (X3: 160-180 °C) were studied, while regarding freeze-drying, the effect of the emulsion concentration (4-8% w/w) on the encapsulation efficiency of β-carotene was examined using a mixture of WPI: PUL (80:20) as carrier. Encapsulation efficiency was determined using a High Performance Liquid Chromatography (HPLC) system and the presence of b-carotene in the different structures was confirmed using the ATR-FTIR technique. The morphology of the obtained fibers was studied using SEM. The adsorption isotherms as well as the Tg values in various storage humidities (11%-95%) were determined for the encapsulated β-carotene structures resulting from the optimal process conditions. In addition, the stability of the encapsulated β-carotene was studied during storage under various conditions of temperature (25°C, 35°C, 45°C), relative humidity (aw: 0.11, 0.33, 0.53, 0.75, 0.95) and exposure to ultraviolet radiation. To evaluate the results of the application of the various encapsulation techniques studied, the encapsulation efficiency of the process, estimated as the percentage of retention of the active substance in relation to its initial quantity, and the retention of β-carotene during storage were used as criteria. The results of the study of the kinetic degradation of β-carotene at different temperatures and water activities were correlated with the physical state (through the study of sorption isotherms) and the Tg of the encapsulation structures. Regarding electrospinning process, β-carotene was successfully encapsulated in WPI:PUL (30:70) and PUL fibers with an average encapsulation efficiency of 80.52% and 88.98%, respectively. Therefore, PUL led to the development of structures with higher encapsulation efficiency compared to WPI:PUL blend due to the higher viscosity (3.67 ± 0.04 Pa s) and the lower conductivity (0.35 ± 0.02 mS / cm) of the PUL solution compared to WPI: PUL blend (0.59 ± 0.01 Pa s and 0.60 ± 0.02 mS / cm) resulting in a more stable Taylor cone and charged jet. Based on the results of the response surface methodology, the maximum β-carotene encapsulation efficiency was found in the following experimental conditions: X1 = 2.0 mL/h, X2 = 0.1 mL/h, X3 = 19 kV and X4 = 17 cm, as well as X1 = 2.4 mL/h, X2 = 0.1 mL/h, X3 = 23 kV and X4 = 19 cm using WPI: PUL and PUL, respectively, as encapsulation carriers. In addition, the flow rate of the β-carotene solution was the parameter with the most significant effect on the encapsulation efficiency for both of the wall materials used and its increase led to a decrease in the encapsulation efficiency. Regarding the study of the morphology of the encapsulation structures, it is observed that the use of PUL as wall material led to the development of uniform fibers, while the presence of WPI in the shell solution led to the development of fibers with the presence of elongated beads with diameters of 530,36 and 444,84 nm, respectively. Based on the study of adsorption isotherms, WPI:PUL (30:70) blend fibers showed higher percentages of moisture content than PUL fibers for each water activity and storage temperature. Also, PUL fibers with encapsulated β-carotene showed lower Tg values than WPI:PUL blend fibers at all levels of humidity-temperature studied, ranging from 34.14°C to 79.88°C and from 43.18°C to 83.44°C, respectively. For spray drying, β-carotene was effectively encapsulated in WPI:PUL (80:20) blend encapsulation structures with an average encapsulation efficiency of 71.92%. The maximum β-carotene encapsulation efficiency was found in the following experimental conditions: X1 = 6.0% w/w, X2 =500 mL/h, X3 = 170°C. The variables with the greatest effect on β-carotene encapsulation efficiency were emulsion concentration and emulsion flow rate, while inlet air temperature did not contribute significantly, at least in the range of values studied (160-180°C). The encapsulation products obtained by spray drying showed a spherical shape with irregular surfaces, without visible cracks or fractures in the whole range of concentrations examined (4-8% w/w), with an average diameter of 6.53 μm. The Tg of the WPI:PUL particulate carriers ranged from 61.01°C to 87.17°C at the three storage temperatures examined (25, 35, 45°C) and it was observed that an increase in the moisture content of the samples led to a decrease in Tg while an increase in the storage temperature of the samples led to higher Tg values. For freeze-drying, successful development of encapsulated β-carotene structures was performed using a mixture of WPI:PUL (80:20) as an encapsulation carrier, with an average encapsulation efficiency of 66.36%. The maximum β-carotene encapsulation efficiency was found for emulsion concentration equal to 8% w/w. The encapsulation products showed an amorphous structure with a leafy appearance, which is a characteristic morphological structure of the lyophilized products. The Tg of the encapsulation structures also decreased with increasing storage humidity, with its value ranging from 59.01°C to 93.25°C, for the three storage temperatures of the product. Based on the above, it is concluded that, depending on the encapsulation technique applied, significant differences were observed in the morphology, the encapsulation efficiency of β-carotene and the thermal properties of the structures produced. More specifically, each method led to the development of structures with different morphology so that it is possible to choose the appropriate structure to be used depending on the desired final application of the encapsulation products. Regarding the encapsulation efficiency of the three methods tested, the EL encapsulation structures showed the highest encapsulation efficiency, followed by SP and FZ. In any case, the encapsulation efficiencies observed were very high for all three methods tested (> 65%), which proves the suitability of these techniques for the development of β-carotene encapsulation structures. Regarding the degradation study of the encapsulated β-carotene under exposure to ultraviolet radiation, the degradation reaction rate constant (k) showed the lowest value for SP structures, followed by EL-WPI:PUL, FZ and EL-PUL ones. Compared to the half-life value of free β-carotene, its encapsulation in WPI and PUL carriers led to an increase in half-life by 11.01, 4.50, 3.36, 1.16 times for the SP, EL-WPI:PUL, FZ and EL-PUL structures, respectively. Regarding the degradation rate study of encapsulated β-carotene during storage under various humidity and temperature conditions, this process was found to be satisfactorily described by the first-order kinetic reaction model for all encapsulation structures developed. In addition, in all the encapsulation structures studied an obvious increase in the rate constant (k) and a corresponding decline in the half-life values of β-carotene was observed with increasing humidity and storage temperature. Specifically, the k values increased with the increase of aw, noting a maximum value in the intermediate water activity (aw= 0.53), and then decreased for aw= 0.75 and 0.95 due to the structural collapse of the samples. In contrast, the storage of structures in environments with low water activity (aw= 0.11 and 0.33) led to increased protection of β-carotene. Comparing the encapsulation structures developed in terms of β-carotene retention, it is concluded that the SP structures showed the highest β-carotene stability, followed by the EL and FZ structures in all water activities and temperatures studied. Specifically, at water activity aw= 0.11 and storage temperature of 25°C, where the maximum stability of the encapsulated β-carotene was noted, its half-life was 130.27, 22.16, 18.68 weeks for SP, EL-WPI:PUL and FZ structures, respectively. Finally, the determination of Tg was not found to be a reliable approach to be used effectively in predicting β-carotene stability. More specifically, it has been found that significant loss of β-carotene occurs even at temperatures below the Tg temperature of the amorphous materials used as encapsulation carriers. Finally, the encapsulated structures were incorporated into white chocolate and the effect of the incorporation of β-carotene in free (CF) or encapsulated form (CEL, CS, CFZ through EL, SP, FZ, respectively) on their quality characteristics (such as color, melting temperature, viscosity and hardness), the shelf life of the quality characteristics of the products and the stability of the β-carotene during storage of the products for a period of 4 months at room temperature was investigated. Based on the results of the effect of the incorporation of the β-carotene encapsulation structures on the quality characteristics of the white chocolate products, differences are observed depending on the encapsulation technique applied for the development of the β-carotene structures. In particular, in terms of the thermal properties of the products, there were no significant differences between the peak temperature and the completion of the melting temperature of the samples with encapsulated β-carotene in relation to the control sample. However, the CF and CS samples showed lower melting energy (apparent enthalpy) than the control sample, in contrast to the CFZ and CEL samples which showed higher. Therefore, the CFZ and CEL samples show a more compact structure than the other samples tested. Regarding the rheological properties, the plastic viscosity of the CF and CS samples did not differ significantly from the CC control sample (p<0.05), while the viscosity of the CFZ and CEL samples was higher than the CC, with a maximum for the CFZ sample. Regarding the yield stress, all the samples examined showed significant differences compared to the control sample (p<0.05) and especially in the case of the CEL sample where the yield stress value was much higher than the other samples. The hardness of the CF and CS samples did not differ significantly from the CC sample, in contrast to the CFZ and CEL samples. The CFZ sample noted slightly increased hardness compared to the control sample while the CEL sample showed lower. Regarding color changes from the addition of encapsulated and non- encapsulated β-carotene, the incorporation of encapsulated β-carotene structures has been an effective method of masking the intense color of β-carotene. Compared to the encapsulation structures incorporated in white chocolate, the structures obtained through electrospinning process led to the development of white chocolate products that approach the values of parameters a* and b* of the reference sample. This is followed by the CS sample, while the CFZ sample approaches the values of the CF sample with free β-carotene. Based on the results of the shelf life of the quality characteristics of white chocolate products, an increase in melting point, values of rheological parameters and hardness was observed with increasing storage time while the values of color indicators a* and b* decreased for all samples examined. Among the encapsulation carriers studied, CS white chocolate products provided the best protection in terms of color stability, followed by CEL and CFZ samples. Also, the incorporation of β-carotene in encapsulated form into white chocolate products has led to better color stability than non-encapsulated form. Finally, the degradation rate constant showed the lowest value and respectively the longest half-life for CS samples, followed by CEL and CFZ samples. Compared to the half-life of β-carotene in CF samples, its incorporation into encapsulation carriers increased the half-life by 12.39, 2.27, 4.22 times for CS, CFZ and CEL products, respectively. The present study therefore concludes that encapsulation is an effective technique for enhancing the shelf life of β-carotene and its subsequent incorporation into food systems thus leading to the production of new/ innovative functional products of high standards in terms of their bio-functional characteristics.	en
heal.sponsor	Η διδακτορική διατριβή χρηματοδοτήθηκε με υποτροφία (2015-2018) από το Ίδρυμα Ευγενίδου.	el
heal.advisorName	Κροκίδα, Μαγδαληνή
heal.committeeMemberName	Τζιά, Κωνσταντίνα
heal.committeeMemberName	Μπιλιαδέρης, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Μαρούλης, Ζαχαρίας
heal.committeeMemberName	Παππά, Αθηνά
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος
heal.committeeMemberName	Τσόπελας, Φώτιος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	356
heal.fullTextAvailability	false