Design og syntese af innovative materialer til mikroindkapsling af fiskeolie

Transkript

1 Design og syntese af innovative materialer til mikroindkapsling af fiskeolie Mia Falkeborg Institut for Ingeniørvidenskab, Aarhus Universitet Teknologisk Institut d. 25. juni 2014

2 Præsentationsoversigt Mikroindkapsling af fiskeolie udfordringer Design og syntese af emulgatorer og antioxidanter fra alginat Alginat Emulgator Antioxidanter Anvendelse af modificeret alginat i fiskeolieemulsioner Kommende udfordringer Opsummering 2

3 Mikroindkapsling af fiskeolie Fiskeolieberigelse af fødevarer er motiveret af de sundhedsgavnlige effekter. Udfordring: Flerumættede fedtsyrer i fiskeolie oxiderer let. Fiskeolien kan emulgeres i vand inden den tilsættes fødevaren kompatibiliteten med fødevaren øges. 3

4 Emulgatorer Proteiner (valleprotein, kasein); fosfolipider (lecitin); polysaccharider (chitosan, pektin, alginat). Ønskede egenskaber: Overfladeaktive: Kan danne stabile olie-i-vand emulsioner Kompatible med fødevaren Antioxidantaktiviteter: Chelerer metal ioner Neutraliserer frie radikaler. Ph.D. forskning: Designe og udvikle nye emulgatorer med ønskede egenskaber: Optimal overfladeaktivitet Antioxidantaktivitet Produceret fra naturlige materialer med grønne teknologier billigt og bæredygtigt 4

5 Ph.d. forskning ved AU 1. Design 2. Syntese 3. Anvendelse Modificering af naturlige materialer for at fremme ønskede egenskaber. Organisk syntese. Enzymatisk transformation. Optimering af procesvariable. Dannelse af og analyse af fiskeolie emulsioner (ikke fødevarer). 5

6 1. Design Alginat: Lineært polysaccharid af mannuronat og guluronat. Cellevægsmateriale i alger et naturligt og bæredygtigt materiale. OH O OH Na + - OOC OH O OH HO HO COO - Na + Mannuronat HO HO Guluronat 6

7 Alginat Anvendes som fortykningsmiddel og stabilisator i fødevarer (E400-E405). Anvendes i tekstil-, papir-, kosmetik-, og medicinalindustrien. Egenskaber: Danner højviskøse opløsninger i vand viskositeten kan kontrolleres Vanduopløseligt ved ph < 2 (alginat versus alginsyre) Hydrogeler kan styrkes ved ionisk krydsbinding (divalente kationer) Antioxidantaktivt Billigt, bæredygtigt, biokompatibelt. Na + Alginat Vandopløseligheden kan styres ved ph ændringer Alginsyre Stærke hydrogeler kan dannes med divalente kationer K.Y. Lee, D.J. Mooney/Progress in Polymer Science 37 (2012)

8 Alginat som emulgator Alginat er ikke tilstrækkelig overfladeaktivt kan ikke danne stabile olie-ivand emulsioner. Kræver modificering med hydrofobe enheder. 8

9 2. Syntese Modificering af alginat med alkyl-succinyl-anhydrider (2-dodecen-1-yl succinic anhydrid, SA-C12) Udfordring: Alginat er kun opløseligt i vand anhydrider er ustabile i vand. Procesoptimering er nødvendig. 9

10 Substitueringsgrad [%] Alginat modificering Optimering af procesvariable for at opnå høj substitueringsgrad 60 Temperatur 60 Mængdeforhold 60 Reaktionshastighed Temperatur [C] Mængdeforhold (alginat : SAC12) Tid [timer] Substitueringsgrad: ~45% 10

11 3. Anvendelse 30% olie-i-vand emulsioner med 3% emulgator Intet højenergi-input kun omrøring (1.500 omdr./min) Emulgator type Emulgator mængde (%) Alginat-SAC Alginat (umodificeret) 100 Alginat-SAC12 Alginat (umodificeret) Soya lecitin 100 β-lactoglobulin 100 Analyser: Opbevaringsstabilitet (faseadskillelse), mikrostruktur (dråbestørrelse, dråbernes overfladeladning, fordelingen af emulgatorer), viskositet, oxidativ stabilitet af fiskeolien. 11

12 Emulsionsstabilitet Faseadskillelse under opbevaring i 1 uge ved 5 C Emulsioner dag 0 BLG LEC Alginat Alg-SA12 (50%) Alg-SA12 100% 44% 50% 76% 95% >97% Mindre faseadskillelse i emulsioner med modificeret alginat 12

13 % Emulsionsfase Emulsionsstabilitet Faseadskillelse under opbevaring ved 5 C Alg-SAC12 Alg-SAC12 (50%) Alginat LEC BLG Tid (dage) Mindre faseadskillelse i emulsioner med modificeret alginat 13

14 Mikrostruktur af emulsioner Konfokal laser-scanning-mikroskopi (NileRed oliefasen) Alginat Alginat-SAC12 Mindre oliedråber i emulsioner med modificeret alginat 14

15 Mikrostruktur af emulsioner Konfokal laser-scanning-mikroskopi (Rhodamin alginat) Alginat Alginat-SAC12 Umodificeret alginat er i vandfasen stabiliserer emulsionen primært pga. høj viskositet. Modificeret alginat er overfladeaktivt fungerer som emulgator. 15

16 Modificeret alginat i emulsioner Igangværende analyser: Emulsionernes viskositet (lavere viskositet i emulsioner med modificeret alginat) Antioxidantaktivitet af modificeret alginat (sammenligneligt med umodificeret alginat) Oxidativ stabilitet af emulgeret fiskeolie over tid. Udfordring: At øge antioxidantaktiviteten af alginat og modificeret alginat Løsning: Enzymatisk behandling af alginat. 16

17 Alginat som antioxidant Alginat depolymerisering Enzymatisk depolymerisering af alginat. Reaktionstype: Beta-eliminering. Alginat lyase S fra Spingobacterium. Alginat oligosaccharider 17

18 Alginat oligosaccharider Neutraliserer frie radikaler og bremser oxidationskædeprocessen Addering af radikal 1 2 Resonansstrukturer 3

19 Alginat oligosaccharider Hæmmer oxidationsprocessen i en 2% olie-i-vand emulsion

20 Kommende udfordringer Kan vi kombinere emulgator- og antioxidanteffekten? Enzymatisk depolymerisering Modificeret alginat (Alg-SAC12) Alginat oligosaccharider Enzymatisk depolymerisering Modificerede alginat oligosaccharider: Emulgator og antioxidant. 20

21 Opsummering Alginat kan modificeres med hydrofobe enheder resultatet er en effektiv emulgator, der kan danne stabile emulsioner af fiskeolie i vand Alginat kan depolymeriseres enzymatisk resultatet er en effektiv antioxidant, der kan beskytte fiskeolie imod oxidation Nye alginatbaserede materialer repræsenterer nye værktøjer, der kan anvendes i design af mikroindkapslingssystemer, der kan levere fiskeolie til fødevareprodukter. Udfordring: Kan emulgator- og antioxidantaktiviteten kombineres i ét materiale? 21

22 TAK