Membrane emulsification to encapsulate beet by-product extract and probiotic

Abstract

O consumo regular de probióticos e compostos bioativos tem sido relacionado à promoção da saúde humana. No entanto, quantidades adequadas devem chegar ao local de atuação para serem funcionais. A encapsulação pode ser usada para garantir a entrega segura desses compostos. Nesse sentido, esta tese de doutorado teve o objetivo de avaliar o potencial da técnica de emulsificação por membranas na produção de microcápsulas probióticas co-encapsuladas com extrato aquoso dos subprodutos da beterraba (EB). Primeiramente, microcápsulas contendo Lacticaseibacillus rhamnosus GG e alginato de sódio (ALG) foram produzidas usando proteína de soro de leite (WPI), proteína de arroz (RPC) ou proteína de ervilha (PPC), respectivamente. Os resultados preliminares mostraram que as microcápsulas que continham WPI foram mais promissoras em condições gastrointestinais simuladas. Na sequência, um estudo de co-encapasulação de L. rhamnosus GG com o extrato aquoso dos subprodutos da beterraba foi investigado. Desta forma, os agentes encapsulantes (ALG e WPI) e L. rhamnosus GG foram solubilizados no EB e as emulsões foram produzidas utilizando um sistema de emulsificação por membranas. As emulsões foram secas em spray dryer e depois adicionadas em chocolate branco sem açúcar. O chocolate mostrou ser uma excelente matriz carreadora de probióticos, com contagens de L. rhamnosus GG > 6,77 log UFC g-1 após 120 dias de armazenamento a 4 °C. Um dos nossos principais achados foi que os polifenóis da beterraba contribuíram no aumento das contagens de L. rhamnosus GG em condições gastrointestinais, o que pode ser considerado um efeito prebiótico. Subsequentemente, foi avaliado o uso de abordagens alternativas para a proteção dos polifenóis dos subprodutos da beterraba. Sendo assim, um sistema inovador de emulsificação de membranas dinâmicas de tamanho de poro ajustável (DMTS) foi utilizado para produzir emulsões água em óleo em água (A1/O/A2). As emulsões foram estabilizadas com concentrado proteico de larva da farinha (Alphitobius diaperinus) (LMPC) e LMPC conjugado com ácido tânico (LMPC-TA). Descobrimos que os polifenóis dos subprodutos da beterraba e LMPC-TA inibiram a oxidação lipídica, aumentando assim a vida útil das emulsões A1/O/A2. Portanto, essas descobertas abrem caminhos alternativos para a comunidade científica e para a indústria de emulsões, pois, além de ser fonte de compostos bioativos com potenciais benefícios à saúde, os polifenóis apresentaram efeito antioxidante ao inibir compostos de oxidação lipídica, demonstrando sua dupla funcionalidade.

Abstract: Regularly consuming probiotics and bioactive compounds has been associated with promoting human health. However, adequate quantities must reach the site to be functional. Encapsulation can be used to ensure safe delivery of these compounds. In this sense, this doctoral thesis aimed to evaluate the potential of the membrane emulsification technique in producing probiotic microcapsules co-encapsulated with aqueous extract of beet by-products (EB). Firstly, microcapsules containing L. rhamnosus GG and sodium alginate (ALG) were produced using whey protein (WPI), rice protein (RPC) or pea protein (PPC), respectively. Preliminary results showed that WPI microcapsules were more promising in simulated gastrointestinal conditions. Then, a co-encapsulation study of L. rhamnosus GG with the aqueous extract of beet by-products was investigated. In this way, the encapsulating agents (ALG and WPI) and L. rhamnosus GG were solubilized in EB, and the emulsions were produced using a membrane emulsification system. The emulsions were dried in a spray dryer and added to sugar-free white chocolate. Chocolate proved an excellent carrier matrix for probiotics, with L. rhamnosus GG counts > 6.77 log CFU g-1 after 120 hours of storage at 4 °C. One of our main findings was that beet polyphenol contributed to increased L. rhamnosus GG counts in gastrointestinal conditions, which can be considered a prebiotic effect. Subsequently, alternative approaches to protect polyphenols from beet by-products were evaluated. Therefore, dynamic membranes of tunable pore size (DMTS) produced water-in-oil-in-water (W1/O/W2) emulsions. The emulsions were stabilized with lesser mealworm protein concentrate (LMPC) and LMPC conjugated with tannic acid (LMPC-TA). We found that polyphenols from beet by-products and LMPC-TA inhibited lipid oxidation, thereby increasing the shelf life of W1/O/W2 emulsions. Therefore, these discoveries open alternative ways for the scientific community and the emulsion industry since, besides being a source of bioactive compounds with potential health benefits, CEB presented antioxidant properties by inhibiting lipid oxidation compounds, demonstrating its dual functionality.