Nanoencapsulation d'huile :développement, application et intégration au marché alimentaire

Introduction

Les huiles ont un rôle important dans la nutrition humaine. En plus de fournir des calories, elles agissent comme un véhicule pour les vitamines liposolubles, telles que A, D, E et K. Les huiles sont également des sources d'acides gras essentiels, tels que les acides linoléique, linolénique et arachidonique, et elles contribuent à l'appétence des aliments. Les composants les plus expressifs de l'huile sont les triglycérides, et les propriétés physiques de ces triglycérides dépendent de la structure et de la distribution des acides gras présents [1,2,3,4].

Environ 90 % de la production d'huile est d'origine végétale issue de la transformation des graines et est destinée à la consommation humaine. Dans l'industrie, il y a eu une augmentation de la demande du marché pour les huiles provenant d'un large éventail de sources naturelles, en particulier dans les applications alimentaires pour la formulation de produits tels que gâteaux, biscuits, pains, margarines et produits laitiers et pour une utilisation dans les produits frits, parmi d'autres applications [5, 6].

Les 10 % restants de la production d'huile sont destinés à la production d'aliments pour animaux et à l'utilisation dans plusieurs procédés industriels, tels que les matières premières pour la fabrication de fongicides, de savons, de détergents, de savons, d'adoucissants biodégradables, de cosmétiques et de biodiesel [5].

Compte tenu de l'importance nutritionnelle et économique des huiles comestibles, il y a eu un intérêt croissant ces dernières années pour les technologies de modification de ces huiles. Les technologies de modification sont de plus en plus étudiées pour altérer les caractéristiques des huiles et les rendre adaptées à certaines applications. Les chercheurs ont découvert diverses technologies pour améliorer la qualité et la sécurité des aliments. L'implication de la nanotechnologie dans l'industrie alimentaire a conduit à la production d'aliments avec une meilleure stabilité thermique, une meilleure solubilité et de nouveaux niveaux plus élevés de biodisponibilité orale [7].

Il a été suggéré que la nanotechnologie avait un impact positif sur le domaine de la science alimentaire en augmentant la durée de conservation des produits alimentaires, en permettant de meilleures méthodes de suivi et de traçage des contaminants, en créant des stratégies de stockage des aliments améliorées et en faisant progresser l'incorporation de suppléments de santé ou d'agents antibactériens dans les aliments. Ainsi, la nanotechnologie contribue en effet grandement à la science alimentaire [7].

La nanotechnologie est devenue l'une des technologies les plus prometteuses pour révolutionner la science alimentaire conventionnelle et l'industrie alimentaire. Le traitement et l'emballage assistés par la nanotechnologie ont prouvé l'importance de la nanotechnologie dans les systèmes alimentaires. Différentes technologies de préparation pourraient produire des nanoparticules avec des propriétés physiques différentes; ainsi, ces particules pourraient être utilisées dans les aliments [8, 9].

L'encapsulation est un processus dans lequel des gouttelettes lipidiques bioactives sont récupérées par une croûte ou enfermées dans une matrice hétérogène ou homogène pour créer de petites capsules [3] à l'échelle nanométrique [10] avec des tailles inférieures à 1000 nm, un nanomètre étant un milliardième d'un mètre [ 11] ; l'encapsulation a de nombreuses propriétés utiles [3]. Selon Gonnet et al. [12], l'encapsulation est une approche potentielle pour préserver les propriétés naturelles/natives de l'huile au fil du temps. Les systèmes classiques développés en nano ou microencapsulation sont à base de particules réservoir ou matricides.

En plus de ses avantages, la nanoencapsulation se caractérise par l'amélioration de la biodisponibilité de la substance active encapsulée et sa protection contre les effets naturels et de traitement, tels que les effets chimiques [13, 14], les effets enzymatiques et l'instabilité physique observés lors du traitement des composants fonctionnels. , nutraceutiques [13], pharmaceutiques et cosmétiques [3] [10]. L'encapsulation représente également un moyen d'améliorer les efficacités biologiques, telles que le contrôle de l'administration des composants actifs et de la durée de conservation, et pourrait empêcher l'apparition d'effets secondaires [12].

L'encapsulation d'huile peut empêcher ou ralentir les réactions d'oxydation, étant donné que ces systèmes peuvent constituer une barrière physico-chimique contre les éléments prooxydants tels que l'oxygène, les radicaux libres ou le rayonnement ultraviolet (UV) [12, 15] et élargir la gamme des denrées alimentaires destinées à fins d'enrichissement. L'encapsulation d'huile bioactive, par exemple, représente une approche efficace et réalisable dans la modification de la libération d'huile, la protection contre les réactions d'oxydation environnementales, une augmentation de la stabilité physique, une diminution de la volatilité, une réduction de la toxicité, une augmentation de la bioactivité et une amélioration de l'observance et de la commodité du patient [3]. Plus précisément, dans l'industrie alimentaire, cette technologie améliore les qualités des aliments transformés telles que la rétention de la saveur, l'antioxydation, la durée de conservation, la couleur et les mauvaises odeurs ; prolonge le temps de stockage des produits alimentaires ; et protège les ingrédients de l'environnement, en réduisant la perte de saveur pendant la conservation et en contrôlant la libération de substances bioactives [16].

De nombreuses techniques sont appliquées pour l'encapsulation. En général, trois méthodes sont utilisées dans l'encapsulation d'agents bioactifs :(a) une structure barrière est créée autour de l'agent encapsulé; (b) les matériaux contaminés se voient refuser l'entrée; et (c) les agents encapsulés sont agencés pour une protection contre les dommages indésirables [17].

Dans de nombreux cas, la nanoencapsulation commence par la production de nanoémulsions, qui sont des systèmes formés de phases huileuses et aqueuses; les nanoencapsulations sont émulsifiées grâce à l'utilisation, dans la plupart des cas, d'émulsifiants. De plus, des nanoémulsions sont formées avec de petites tailles de gouttes et des surfaces élevées [18]. De telles propriétés leur confèrent des avantages potentiels par rapport aux émulsions conventionnelles, tels qu'une bonne stabilité physique et une biodisponibilité plus élevée [19]. Certaines techniques étudiées pour l'obtention de nanoémulsion d'huile et de nanoencapsulation d'huile comprennent la nanoprécipitation, le séchage par atomisation, la gélification ionique, le dépôt interfacial du polymère préformé, l'émulsion-diffusion, l'émulsification-évaporation de solvant, l'utilisation de liposomes, l'homogénéisation à haut cisaillement (microfluidisation), l'émulsification spontanée. , et les transporteurs lipidiques nanostructurés (NLC).

Le but de cette étude est d'étudier les applications potentielles et actuelles de l'encapsulation d'huile dans l'industrie alimentaire, illustrant les principaux avantages et opportunités d'innovation et tenant également compte des défis futurs, y compris les produits actuels sur le marché alimentaire et les demandes de brevet. De nouveaux produits pétroliers nanoencapsulés et des demandes de brevet sont prometteurs pour l'utilisation du pétrole dans divers secteurs industriels. En outre, la micro- et la nanoencapsulation peuvent favoriser (a) une réduction de la vitesse d'évaporation ou de transfert du matériau du noyau vers l'environnement extérieur ; (b) protection du matériau du noyau contre la dégradation par une réduction de la réactivité vis-à-vis de l'environnement extérieur ; (c) le contrôle de la vitesse de libération du matériau du noyau, soit lentement dans le temps, soit à un moment donné ; (d) modification des caractéristiques physiques du matériau d'origine pour permettre une manipulation plus facile; (e) le masquage d'une saveur ou d'un goût indésirable du matériau de noyau ; (f) séparation des composants du mélange qui réagiraient autrement les uns avec les autres; et (g) la dilution des matériaux du noyau lorsque seules de petites quantités sont nécessaires pour obtenir une dispersion uniforme dans le matériau hôte [17].

Nanoencapsulation générale de nanoparticules colloïdales

La synthèse de nanoparticules et d'autres nanostructures a reçu une attention considérable ces dernières années car leurs propriétés, telles que les propriétés optiques, mécaniques et chimiques, dépendent fortement de leur taille, de leurs structures géométriques et de leurs composants, qui sont assez différents de ceux des matériaux en vrac [ 20, 21].

Les nanoparticules sont des particules colloïdales. Les deux types les plus courants de systèmes d'administration colloïdale avec des particules suffisamment petites pour obtenir une transparence optique sont les microémulsions et les nanoémulsions. Les deux systèmes contiennent de petites particules (d < 200 nm). L'un des principaux avantages des nanoémulsions par rapport aux microémulsions est qu'elles nécessitent considérablement moins de tensioactif pour les former. Les nanoémulsions de qualité alimentaire peuvent être formées par des méthodes à haute énergie (telles que l'homogénéisation ou la sonication à haute pression) ou des méthodes à faible énergie (telles que la température d'inversion de phase, l'émulsification spontanée ou l'inversion de phase d'émulsion) [22].

Les particules colloïdales peuvent être produites pour différentes propositions, telles que des applications dans le métal [20], le biomédical [23], le médical [24], le capteur [25], l'optique [25], les arômes, les boissons, les répulsifs, les parfums et les produits cosmétiques ; utilisés pour leurs propriétés médicinales [26], alimentaires [22], et utilisés dans les huiles essentielles (HE) à différentes fins [27, 28].

Les systèmes d'administration colloïdale, y compris les émulsions, peuvent être conçus pour incorporer des acides gras polyinsaturés (PUFA) dans des environnements aqueux afin d'améliorer la stabilité à l'oxydation du système. La plupart de ces systèmes d'administration à base d'émulsion contiennent des particules qui ont des dimensions similaires à la longueur d'onde de la lumière et, par conséquent, elles diffusent fortement la lumière, entraînant une turbidité ou une opacité élevée. Pour certaines applications, il est avantageux d'utiliser un système de distribution transparent afin qu'il puisse être incorporé dans des produits alimentaires ou des boissons optiquement clairs, tels que certaines eaux enrichies, boissons gazeuses et vinaigrettes [22].

Concernant les boissons gazeuses, Ziani et al. [29] ont formé des dispersions colloïdales contenant de l'huile de citron, un tensioactif non ionique (Tween 80) et un tampon (pH 2,6). Cette étude fournit des informations utiles pour la conception rationnelle de systèmes d'administration colloïdale de qualité alimentaire pour l'encapsulation d'huiles aromatiques et d'autres lipides fonctionnels dans les aliments et les boissons.

Les nanoparticules lipidiques solides (SLN) ont attiré une attention accrue dans les industries pharmaceutique et alimentaire en raison de leur capacité à surmonter les déficiences des microcapsules et des systèmes de support colloïdaux nanométriques mentionnés précédemment. Les SLN sont la dernière génération de systèmes d'encapsulation à l'échelle nanométrique, combinant les avantages offerts par les nanoémulsions ou microémulsions liquides mères de vitesses de dissolution élevées associées à des perméabilités élevées du composé actif à travers la paroi intestinale avec les solutions simultanées aux problèmes existants associés à la physique et stabilité chimique du composé encapsulé et facilité de manipulation [30].

Les nanoparticules lipidiques à matrice particulaire solide sont dérivées d'émulsions H/E (huile/eau) par remplacement du lipide liquide (huile) par un lipide solide. Ces lipides sont généralement des lipides physiologiques (biocompatibles) de faible toxicité [3]. Les GS sont composés de lipides qui sont solides à température ambiante et corporelle. Les principaux avantages des SLN sont leur efficacité d'encapsulation élevée, leur possibilité de production à grande échelle, leur flexibilité dans le profil de libération contrôlée grâce à la matrice solide et leur grande capacité à atteindre l'organe cible. Cependant, les SLN peuvent cristalliser, laissant un très petit espace pour l'incorporation d'huile et, par conséquent, une faible capacité de chargement [31]. Les diamètres des nanoparticules lipidiques peuvent être compris entre 50 nm et 1 μm [3]. Les SLN ont une faible charge d'encapsulation et une possibilité d'explosion pendant le stockage [31].

Des nanocapsules d'huile de son de riz ont été synthétisées en utilisant du poly(ε-caprolactone) (PCL) comme matériau de paroi pour évaluer leur effet protecteur contre les lésions cutanées induites par les rayons UVB chez la souris, et les auteurs ont conclu que les nanocapsules de son de riz (200 nm, zêta potentiel de - 9 mV et un faible indice de polydispersité (PDI) de < 0,2) ont inhibé 60 % de l'œdème induit par l'irradiation UVB [32].

Oehlke et al. [33] ont préparé des GS avec de l'acide férulique (FA) et du tocophérol (Toc). Les différentes formulations, contenant jusqu'à 2,8 mg g ⁻¹ de FA ou de Toc, étaient stables pendant au moins 15 semaines de stockage à température ambiante. Les auteurs ont conclu que ces SLN conviennent comme additifs alimentaires où une libération progressive du composé actif pourrait être bénéfique.

Tendances de la nanoencapsulation d'huile

De nombreuses publications des 20 dernières années contiennent les 4 termes nanoencapsulation, nanoémulsion, nanoparticule et nanotechnologie (Fig. 1). Cependant, avant les années 2000, les articles contenant ces quatre termes concernant la recherche sur les applications pétrolières et alimentaires initiées à la fin des années 1990 constituaient moins de 2% des publications examinées, faisant de ce sujet un petit secteur de la nanotechnologie (Fig. 1).

Nombre de publications sur la nanoencapsulation, la nanoémulsion, la nanoparticule et la nanotechnologie par an dans la base de données Scopus en utilisant les mots clés suivants :a nanoencapsulation, nanoémulsion, nanoparticule et nanotechnologie ; b nanoencapsulation et huile, nanoémulsion et huile, nanoparticule et huile, et nanotechnologie et huile; et c nanoencapsulation et nourriture et huile, nanoémulsion et nourriture et huile, nanoparticule et nourriture et huile, et nanotechnologie et nourriture et huile

Le terme nanotechnologie a été utilisé dans de nombreuses publications comme un terme plus général (Fig. 2). Lors de l'utilisation de la combinaison de ces termes et « huile » (Fig. 1b), une augmentation des publications impliquant le terme « nanoparticules » est observée. Le nombre de publications impliquant « nanoémulsion » et « huiles » a augmenté de manière significative depuis 2010, que ce soit dans des domaines généraux ou liés à l'alimentation (Fig. 1b).

Schéma des définitions de nanoencapsulation couramment utilisées pour les huiles

Bien qu'il existe beaucoup plus de publications impliquant des « nanoparticules » et des « nanotechnologies » (Fig. 1a), l'encapsulation est le terme le plus approprié utilisé pour décrire l'emballage de substances en micro- et nanoparticules et est défini comme un processus impliquant une seule substance, appelé comme « agent actif » dans un autre produit appelé « matériau de paroi » [34,35,36].

La plupart des publications sur la nanoencapsulation d'huile utilisent le terme « nanoencapsulation » [2, 37,38,39,40,41,42] ou « nanoémulsion » [10, 43,44,45,46,47,48]. Certains auteurs utilisent le terme « nanocapsules » [49,50,51], et d'autres utilisent le terme « nanoparticules » [35, 41]. Cependant, les deux termes signifient à l'origine « nanoencapsulation » (Fig. 2), qui a été utilisé dans son sens le plus large, englobant à la fois la formation de nanocapsules et de nanoparticules [52].

Le terme « nanoparticule » est un nom collectif pour les nanosphères et les nanocapsules [17]. Les nanocapsules possèdent une membrane polymère avec un noyau liquide, dans laquelle le composé actif est confiné dans une cavité constituée d'un noyau liquide interne entouré d'une membrane polymère (la structure noyau-enveloppe peut être lipophile ou hydrophile) [3, 17]. D'autre part, les nanosphères peuvent être définies comme des fragments colloïdaux solides dans lesquels les composts bioactifs sont diffusés, capturés, encapsulés et chimiquement enchaînés ou adsorbés dans la matrice polymère. La matrice polymère forme une matrice poreuse ou solide, et le noyau peut probablement se transformer en un matériau solide reposant sur la structure du copolymère [3, 53]. Les nanoparticules sont généralement recouvertes de tensioactifs non ioniques pour réduire les interactions immunologiques et aider à réduire les interactions moléculaires des groupes chimiques à la surface des particules (van der Waals, liaison hydrogène ou interactions hydrophobes). L'absorption intracellulaire des nanoparticules est plus élevée que celle des autres systèmes encapsulés. Selon la méthodologie appliquée, les nanocapsules peuvent agir comme un véhicule pour le matériau actif retenu dans la membrane interne polymère. L'huile libérée par ces systèmes peut être transportée des nanoparticules au tissu cible par désorption, diffusion ou érosion [3].

La nanoémulsion est le début de la nanoencapsulation, un système formé de phases huileuses et aqueuses et l'émulsification de ces phases grâce à l'utilisation d'un émulsifiant. De plus, des nanoémulsions sont formées avec de petites tailles de gouttes et des surfaces élevées [10, 18, 37, 54]. De telles propriétés leur confèrent des avantages potentiels par rapport aux émulsions conventionnelles, comme une bonne stabilité physique et une biodisponibilité plus élevée [10, 19].

La première définition de la nanotechnologie a été discutée en 1959 par le célèbre physicien Richard Feynman dans son discours Il y a beaucoup de place en bas , dans lequel il décrivait la possibilité de synthèse par manipulation directe d'atomes. La « nanotechnologie » a été utilisée pour la première fois par Norio Taniguchi en 1974. La nanotechnologie a émergé en tant que domaine dans les années 1980 et, à partir de cette époque, il y a eu une augmentation des publications scientifiques et de la sensibilisation dans le domaine ; la recherche dans ce domaine s'est intensifiée dans les années 2000 (Fig. 1), tout comme l'attention scientifique, politique et commerciale, conduisant à la fois à la controverse et au progrès. En outre, la commercialisation de produits basée sur les progrès des technologies à l'échelle nanométrique a commencé à émerger [55].

La nanotechnologie est un domaine multidisciplinaire qui couvre une vaste gamme de matériaux, de processus et d'applications et englobe les sciences chimiques, physiques, biologiques, électroniques et de l'ingénierie. Il se concentre sur la fabrication, la caractérisation et l'expérimentation de substances à l'échelle nanométrique, presque entre 1 et 100 nm. La taille minimale des particules, par rapport à la surface de croissance, présente des propriétés uniques et nouvelles et crée un vaste potentiel d'utilisations technologiques [55,56,57].

La nanotechnologie peut faire progresser les stratégies de stabilité thermique et de stockage, de solubilité dans l'eau et de substances bioactives, augmenter la biodisponibilité pour l'utilisation alimentaire et améliorer les propriétés macroscopiques des aliments, telles que le goût, la texture, les processus industriels et la force de coloration [58]. Les grandes entreprises alimentaires ont utilisé leurs propres départements de recherche pour concevoir des stratégies d'application des nanotechnologies dans les aliments fonctionnels [59].

État actuel des applications de nanoencapsulation d'huile

La croissance de la discipline alimentaire est quantifiée dans la Fig. 1b, c comme le nombre agrégé de publications contenant les mots clés « alimentaire » et « huile » et « nanoencapsulation », « nanoémulsion », « nanoparticule » ou « nanotechnologie » dans leur résumé; les informations sont présentées en fonction de l'année de parution. Comme l'indiquent les tendances de la figure 1, la majeure partie de la croissance dans le domaine de la nanotechnologie alimentaire a eu lieu après l'année 2010 en raison des nombreuses études sur la nanotechnologie de la fin des années 90 et de la croissance d'additifs de qualité alimentaire adaptés au processus de nanoparticules. Les applications industrielles de nanoencapsulation d'huile sont résumées dans le tableau 1.

Actuellement, les produits nanotechnologiques dans l'industrie alimentaire atteignent une valeur de 1 milliard de dollars américains (principalement constitués de revêtements de nanoparticules pour les produits favorisant la santé, les technologies d'emballage et les ébauches), et ils ont la possibilité d'augmenter de plus de 20 milliards de dollars américains au cours des 10 prochaines années . De nombreuses revues présentent un excellent résumé des groupes de recherche et des organisations privées et publiques qui ont dirigé le domaine de la nanotechnologie alimentaire [11, 13, 60].

Bien qu'un certain nombre de revues [11, 13, 55, 60, 61] aient discuté de l'investissement dans les nanotechnologies alimentaires et des applications émergentes de la nanotechnologie pour la production primaire, il n'y a pas de revues traitant de la nanoencapsulation du pétrole lorsque l'on considère le pétrole comme matériau encapsulé. En outre, il existe de nombreuses revues sur les applications des nanotechnologies [13, 53, 55, 61,62,63,64,65,66,67,68], et la plupart d'entre elles se concentrent sur les nanotechnologies dans les applications alimentaires [13, 52, 55, 61,62,63,64,65,66,67,68].

Dans l'industrie alimentaire, le processus de microencapsulation peut être utilisé pour diverses raisons, qui ont été résumées par Desai et Park [4] comme suit :(a) le matériau du noyau est protégé de la dégradation en réduisant ses réponses à l'environnement extérieur ; (b) la vitesse d'évaporation ou de transfert du matériau principal vers l'environnement extérieur est diminuée ; (c) les caractéristiques physiques du matériau d'origine sont modifiées pour permettre une manipulation plus facile ; (d) la libération du matériau du noyau est adaptée pour se produire lentement dans le temps ou à un moment particulier ; (e) les saveurs ou les goûts indésirables du matériau de base sont masqués ; (f) une dispersion égale dans le matériau de maintien est obtenue; et (g) les composants du mélange qui réagiraient autrement les uns avec les autres sont séparés. Ces applications sont également adaptées à la nanoencapsulation d'huile. Ricaurte et al. [10] et Campo et al. [37] ont étudié l'huile de palme à haute teneur en acide oléique (HOPO) et l'huile de graines de chia avec des objectifs différents. La première étude visait à trouver les conditions de microfluidisation, de formation et de stockage les plus favorables pour les nanoémulsions obtenues à partir de HOPO et la deuxième étude a promis des alternatives pour protéger l'huile contre l'oxydation des lipides et améliorer la solubilité et la stabilité (tableau 1).

Cushen et al. [9] affirme que l'affirmation ci-dessus selon laquelle la microencapsulation alimentaire est bien établie ; L'huile de poisson microencapsulée a été appliquée dans le pain pour des bienfaits fonctionnels et sains. Le procédé de microencapsulation masque le goût désagréable de l'huile de poisson, et ce pain est déjà réalisable sur le marché. La nanoencapsulation et l'ajout de composés dans l'industrie alimentaire est une progression logique de la technologie [2, 68]. De plus, les réactions d'oxydation, les principaux processus de détérioration des graisses, des huiles et des aliments à base de lipides, entraînent une diminution de la valeur nutritionnelle et de la qualité sensorielle, et la nanoencapsulation de l'huile favorise la réduction de l'oxydation par la formation de barrières protectrices formées au cours du processus de nanoencapsulation, comme précédemment indiqué [2].

Dans leur revue, Walker et al. [47] ont souligné la promesse d'utiliser des nanoémulsions pour l'encapsulation, la sécurité et la libération des acides gras oméga-3. Ces systèmes de transport peuvent être utilisés dans l'industrie alimentaire dans les boissons contenant ces lipides bioactifs et pour enrichir les aliments, ou ils peuvent être utilisés dans l'industrie pharmaceutique ou des suppléments pour améliorer la bioactivité des compositions d'acides gras oméga-3 fonctionnels.

Sozer et Kokini [67] ont simplifié l'utilisation des nanotechnologies dans les industries de l'alimentation et de l'emballage alimentaire. Les types d'avantages alimentaires comprenaient une protection contre l'oxydation; libération contrôlée d'ingrédients encapsulés (humidité ou pH); test de déguisement; livraison de substances nutritives nanoencapsulées, de vitamines et d'arômes ; détection d'agents pathogènes dans les systèmes alimentaires; la sécurité alimentaire; et l'analyse de la qualité. Certaines applications d'emballage alimentaire comprenaient un emballage amélioré (barrières contre le gaz et l'humidité, résistance à la traction); prolongation de la durée de conservation via l'emballage actif, les nanoadditifs, l'emballage intelligent, la livraison de nutraceutiques et la libération contrôlée ; effets antibactériens des emballages autonettoyants ; et la surveillance de l'état du produit pendant le transport. Les applications dans les emballages alimentaires sont considérées comme très prometteuses car elles peuvent améliorer la sécurité et la qualité des produits alimentaires. Ces applications incluent des emballages intelligents, capables d'interagir avec le produit alimentaire. Cependant, pour l'application de nanoencapsulation d'huile dans l'industrie alimentaire, l'huile de poisson est normalement utilisée, et le but de la nanoencapsulation est principalement de protéger l'huile de l'oxydation des lipides pour l'enrichissement des aliments [34, 38, 40].

Comme on peut le voir, l'huile de poisson est l'huile la plus utilisée à la fois en micro et en nanoencapsulation. C'est une source d'insaturés et d'AGPI. Les humains peuvent produire la majorité des acides gras. Néanmoins, les acides gras oméga-6 (n-6) et oméga-3 (n-3), essentiels à l'alimentation humaine, ne peuvent être synthétisés par l'organisme humain. Ainsi, les humains doivent les acquérir à partir de la nourriture. La consommation d'huiles végétales (huiles comestibles), dont les AGPI, est liée à une faible incidence de maladies chroniques, telles que les troubles cardiovasculaires ou neurologiques, et à une diminution des taux de cancer [3, 69].

Les huiles bioactives sont généralement utilisées pour leurs propriétés nutritionnelles, mais l'un des principaux problèmes liés à leur utilisation est la perte de composants actifs pendant le stockage [70]. Cela se produit parce que les huiles bioactives contiennent des AGPI et d'autres substances (xanthophylles, stérols, caroténoïdes, monoterpènes, flavonols, etc.) sensibles à l'oxygène, à l'humidité, à la chaleur et à la lumière [71]. Les produits formés dans les huiles oxydées comprennent de nombreuses espèces de radicaux libres, des produits d'oxydation primaires tels que les hydroperoxydes lipidiques et des produits d'oxydation secondaires tels que des hydrocarbures, des aldéhydes, des époxydes et des cétones. Certains de ces produits peuvent affecter négativement les tissus biologiques [72]. En raison de cette oxydation, les propriétés et la valeur nutritionnelle de l'huile sont perdues et il en résulte un goût et une odeur désagréables [3].

Les autres composés actifs de ces huiles peuvent présenter des propriétés antioxydantes, anti-inflammatoires, antivirales, antibactériennes, anticancéreuses et/ou régénératrices tissulaires [73]. Les polyphénols et les tocophérols contenus dans les huiles présentent une activité antioxydante importante. Par conséquent, les caractéristiques et la composition des antioxydants varient selon le type d'huile. En conséquence, les huiles d'olive, de tournesol, d'argan et de pépins de raisin contiennent des teneurs élevées en composés antioxydants [72]. De plus, la présence de composés labiles tels que les stérols, les caroténoïdes, la xanthophylle, les flavonols et les monoterpènes contribue également à la valeur nutritionnelle et aux propriétés santé d'une huile [3].

De plus, les HE sont des produits végétaux courants composés de mélanges de matériaux biologiquement actifs, et ils fournissent des composés potentiellement bioactifs et de nouveaux modèles de molécules [74, 75]. Les HE sont composées de métabolites secondaires volatils ayant des activités antifongiques, antibactériennes, antioxydantes, anti-inflammatoires, antivirales et anticancéreuses [76]. L'efficacité de l'OE dépend de sa composition chimique, de son génotype et des conditions environnementales et agronomiques [77]. Quelques exemples de ces huiles sont le thym, la lavande, la menthe poivrée, la cannelle, l'arbre à thé, le romarin, l'eucalyptus et l'huile de citronnelle, ainsi que quelques autres. Il a été démontré que ces huiles présentent des propriétés antimicrobiennes, mais sont extrêmement vulnérables à l'oxydation [15, 27, 78].

Les HE sont classées comme des molécules bioactives naturelles jugées appropriées pour une utilisation dans l'inhibition de la croissance d'agents pathogènes d'origine alimentaire. Cependant, l'incorporation directe des HE dans les aliments présente des défis technologiques en raison de la forte volatilité de certains constituants des HE, de la difficulté d'incorporation des HE dans les formulations aqueuses et de la possibilité de changements drastiques dans les propriétés sensorielles des produits alimentaires. Parmi les composants qui présentent une activité antimicrobienne, l'origan, le carvacrol, le thymol et le -terpinène ont été utilisés dans les aliments.

Certaines huiles essentielles ont été utilisées pour améliorer la qualité microbienne, sensorielle et chimique des aliments tels que la viande, le poulet et les jus de fruits [28, 79, 80, 81]. Ghaderi-Ghahfarokhi et al. [28] de l'huile essentielle de thym nanoencapsulée et utilisée dans un burger de bœuf. Ils ont observé que le processus d'encapsulation améliorait la durée de conservation de l'huile essentielle de thym et minimisait la vaporisation des composés actifs au début du stockage. De plus, la libération lente de l'huile essentielle de thym pendant le stockage pourrait maintenir, voire augmenter, l'activité antioxydante et antimicrobienne de l'huile jusqu'à la fin du stockage réfrigéré. De plus, il y a eu des changements positifs dans la rougeur et la teneur en oxymyoglobine du hamburger par rapport à celle des témoins, et l'huile essentielle de thym libre a amélioré l'acceptabilité et la qualité sensorielle des hamburgers de bœuf.

Certaines études ont utilisé des huiles essentielles dans les aliments comme conservateurs naturels pour améliorer la sécurité et la qualité des aliments, remplaçant les conservateurs alimentaires synthétiques nocifs [49, 82]. Herculano et al. [82] ont encapsulé de l'eucalyptus et déterminé les actions antimicrobiennes des nanoparticules chargées sur Listeria monocytogenes et Salmonella enteritidis bactéries. Les auteurs ont observé que l'action bactéricide des nanoparticules était plus efficace contre les bactéries gram-positives que gram-négatives, car l'huile nanoencapsulée présentait une activité accrue contre le S . entérite; ces nanoparticules peuvent être utilisées dans les aliments pour une conservation naturelle.

La gomme de cajou (CG), dont la structure ressemble à la gomme arabique, est un hétéropolysaccharide extrait de l'exsudat de Anacardium occidentale , un arbre commun dans la région nord-est du Brésil. La gomme de cajou est capable d'interagir avec l'eau et donc d'agir comme stabilisant, émulsifiant et adhésif et pourrait être un bon substitut à la gomme arabique, qui est plus chère. La CG a été utilisée par Herculano et al. [82] pour encapsuler Eucalyptus staigeriana l'huile essentielle (ESO), et le diamètre (nm) et le potentiel zêta (mV) des capsules issues de la formulation étaient respectivement F1 :153,80 ± 8,20 et - 24,50 ± 0,45; F2 : 27,70 ± 3,42 ; - 14,47 ± 1,42 et F3 :432,67 ± 41,47 ; − 10,45 ± 0,21. Ces formulations étaient composées de F1 :CG :ESO = 2:1; ESO :Tween 80 = 2:1 ; F2 :CG :ESO = 4:1; ESO :Tween 80 = 2:1 ; F3 :CG :ESO = 2:1; ESO :Interpolation 80 = 1:1. Les échantillons F1 et F2 présentaient une distribution unimodale, tandis que F3 avait une distribution bimodale (nano- et microparticules).

Nanoencapsulation Methods Applied in Different Oils

In this review, 11 studies that used nanoencapsulated oils in the food industry were analyzed [10, 16, 35, 37, 38, 83,84,85,86,87], and 1 figure, Fig. 3 was made that describes the technologies, nanoencapsulated oils, and wall materials used. Generally, there are many methodologies for the production of nanocapsules containing oils, such as emulsion-diffusion [16, 38, 85], emulsification-solvent evaporation [83], high-shear emulsification [10, 87], spontaneous emulsification [84, 88], homogenization [37], spray drying [35], and the emulsion supercritical fluid extraction process [86] (Fig. 3a). In general, the techniques are similar, with some particular similarities between each of them.

Proposal and techniques (a ), employed oils (b ), and wall materials (c ) of some studies using oil nanoencapsulation in food

In emulsion-diffusion, an emulsion is produced after a dilution causes the deposition of a polymer around the droplets, whereas in emulsification-solvent evaporation, an emulsion is formed with a polymer solution and an aqueous phase. The solvent is evaporated at the end of both techniques. High-shear homogenization, or microfluidization, is a kind of high-energy emulsification which uses microfluidizers to create mechanical shear. This equipment works by dividing a liquid jet into two parts. Every part passes through a narrow opening. Normally, emulsions with a diameter greater than 1 μm are first formed by other methods, after which their sizes are then reduced in a microfluidizer [3].

Spontaneous emulsification, or low-energy emulsification or self-emulsification, is a process which depends on different variables:interfacial and bulk viscosity, interfacial tension, phase transition region, and surfactant structure and concentration because the emulsion is formed spontaneously as a result of the low interfacial tension from high surfactant levels. In the homogenization (nonspecific name) technique, the emulsion is composed of an organic phase, which has a surfactant, organic solvent and oil, and of an aqueous phase, which is composed of water and a polymer. The organic phase is added dropwise to an aqueous solution. Then, the solvent is removed by a vacuum process [37].

The spray dryer technique is based on dissolving or dispersing the active ingredient in a biopolymer solution. Then, the dispersion is atomized in a heated air chamber that rapidly removes the solvent and produces a dried particle consisting of the active ingredient embedded in a porous wall material [31]. The supercritical fluid extraction of emulsions (SFEE) technique is based on the use of supercritical carbon dioxide (CO₂ ) to rapidly extract the organic solvent from an oil-in-water emulsion, in which a bioactive compound and its coating polymer have been previously dissolved. By removing the solvent, both compounds precipitate, generating a suspension of particles in water [86].

In addition to that in oil microencapsulation, the oil usually used in nanoencapsulation is fish oil [16, 35, 38, 86] (Fig. 3b). However, sunflower oil [85], roasted coffee oil [83], HOPO [10], thyme oil [87], garlic essential oil [84], rice bran oil [88], and chia oil [37] are also used (Fig. 3b).

Oil nanocapsules have been produced with the application of different wall materials (Fig. 3c), depending on the usage and kind of oil to be nanoencapsulated. Unlike oil microencapsulation, oil nanoencapsulation does not usually involve wall material mixtures. Usually, the wall material is used alone because the particles formed must have a size of 1000 nm, and, as there is a larger contact surface, the fewer the compounds in the nanocapsule formulation the better the interaction is among the compounds, ultimately favoring the particle size.

The wall materials most used in the techniques are biodegradable polymers. Some usual wall materials used in oil nanoencapsulation are polycaprolactone [16, 38, 86, 88], whey protein [10, 35], sodium caseinate [87], chia seed mucilage [37], maltodextrin, or modified starch [35] (Fig. 3c). Some authors did not report the wall material used in their study [88], probably because of the spontaneous emulsification technique that was employed.

Wall material is chosen according to the size of the required nanoparticles, aqueous solubility and stability, and other factors. Among polymers, most of the wall material utilized is poly(ε-caprolactone) (PCL). PCL is a polymer obtained through the ring-opening polymerization of the cyclic monomer Ɛ-caprolactone utilizing cationic or anionic, coordination, or the radical catalysts mechanism. This polymer is semicrystalline, and its crystallinity is directly associated with its molecular weight. It is soluble in inorganic solvents and has a good blend compatibility that provides a transformation of chemical properties, such as solubility and porosity, and it presents a low melting point (59–64 °C). Furthermore, PCL is a synthetic, biocompatible, and fully biodegradable polymer that has a semi crystalline nature (glass transition temperature of 213 K). It is approved for drug delivery by the Food and Drug Administration (FDA). Due to its slow degradation, PCL is ideally suited for long-term delivery or when a targeted delivery to the intestinal tract is intended. PCL has a high hydrophobicity, high in vitro stability, and low cost [87]. Usually, PCL is utilized in the emulsion-diffusion method and supercritical fluid extraction of emulsions, especially for fish oil encapsulation [16, 86].

Whey protein may also be applied to nanoencapsulate bioactive compounds such as oils because of its functional characteristics, such as its surface activity, gelation, shielding, and protective properties, e.g., biocompatibility and biodegradability [58]. Ricaurte et al. [10] applied HOPO and obtained nanocapsules with whey protein from microfluidization, confirming that this methodology was able to create stable nanocapsules with a diameter of 163 nm.

After synthesis, the basic characterization of the oil nanoparticles is determined by important parameters, such as the size, polydispersity index (PDI), and zeta potential. The size and size dispersion of nanocapsules are important because of their ability to transform the physicochemical and pharmaceutical behaviors of the encapsulated ingredients [58].

Nanoparticle size, also named the mean diameter or z-average, may be established by several methods, such via laser diffraction (LD) and a Coulter counter; however, the most applied technique is dynamic light scattering (DLS) [58, 89], which allows the description of particle size distribution and destabilization phenomena. Nevertheless, it is not very precise when used with large size differences; it is noted that particles larger than 1 μm will be subject to gravitational movement in addition to Brownian motion, which makes this technique suitable for the characterization of particles only < 1 μm.

For nanoencapsulated oils, the diameter size is usually between 100 and 1000 nm [10, 16, 35, 37, 38, 83, 85, 87] or less than 100 nm [84, 86,87,88]. Diameters larger than 1000 nm were found by Ricaurte et al. [10]; those authors reported diameters between 163 and 2268 nm using the microfluidization method and whey protein as a wall material in the nanoencapsulation of HOPO.

Size dispersion is indicated as the PDI, an index that describes the particles uniformity in suspension; PDI values between 0.1 and 0.25 [10, 38, 87, 88] indicate a small size distribution, and PDI values higher than 0.5 indicate a broad distribution [50]. Although some authors, such as Choi et al. [16], Campo et al. [37], and Jafari et al. [35], did not report PDI, it is a good parameter for characterizing nanoparticles when used with particle size and zeta potential. Campo et al. [37] did not perform PDI analysis, but they found a bimodal figure in one of the diameter size results, suggesting the presence of nano and microparticles; if PDI was performed, the values would likely be greater than 0.25.

Zeta potential is a physical characteristic that is shown by particles in suspension, macromolecules, or substance surfaces; it corresponds to the nanoparticle’s electrical potential, as influenced by the nanocapsule ingredients and the medium in which they are distributed. This parameter is widely applied to indicate suspension stability in colloidal dispersions, where zeta potential values higher than 30 mV and lower than − 30 mV promote high stability and prevent particles aggregation [90]. The majority of the studies examined here obtained results between these values (30 mV and − 30 mV) [10, 37, 38, 84, 85]. Some authors, such as Choi et al. [16], Freiberger et al. [83], Bernardi et al. [88], Jafari et al. [35], and Pietro and Calvo [86], did not report the zeta potential.

For nanoencapsulated oils, the zeta potential is usually variable because of wall material characteristics. Campo et al. [37] obtained a zeta potential of − 11.58 ± 1.87 mV for encapsulated chia oil with chia seed mucilage as wall material. Nanoparticles of anionic gums, such as chia seed polysaccharide and cashew gum, can present negative zeta potential due to the presence of carboxylic acids groups in the carboxylate form (-COO-) that generates negative charges [82].

Another important analysis for the characterization of nanoparticles is Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), which is a technique used to obtain an infrared spectrum of the absorption or emission of a solid, liquid or gas. An FTIR spectrometer simultaneously collects high spectral resolution data over a wide spectral range. This provides a significant advantage over a dispersive spectrometer, which measures intensity over a narrow wavelength range. FTIR is a less intuitive way to obtain the same information. Usually, oil nanoparticles are used in the transmittance mode, operating with wavelengths between 400 and 500 and 4000 cm ⁻¹ and a resolution of 4 cm ⁻¹ [37, 84, 91].

Based on FTIR analysis, it is possible to physically perceive the interactions that take place between the nanoparticle components; for example, the FTIR results of nanoencapsulated garlic essential oil showed the characteristic Tween 80 (the emulsifier used) peaks. This phenomenon could be related to coverage in the garlic oil nanoemulsion spectrum due to the stretching vibration of the extracted garlic bands. The band at 1325–1450 cm ⁻¹ showed the presence of S=O, and the band at 1675–1600 cm ⁻¹ showed a -C-C=C symmetric stretch, both of which are present in garlic EO compounds [84].

Incorporation of Nanoencapsulated Oils into the Food Market and Patent Application

According to the House of Lords [92], food currently contains structures at the micro and nanoscale. Fruit juice is composed by plant material that was built from nanoscale ingredients, while Bailey’s Irish Cream contained nanoemulsions with an average droplet size of 190 nm. Margarine had water droplets smaller than 10 μm across, with even smaller fat crystals interspersed in them. The naturally occurring nanomaterials found in food ranged from particles smaller than 100 nm found in drinks such as tea, beer, and coffee to protein structures of approximately 300 nm found in eggs or soy to larger oil particles of approximately 800 nm found in substances such as milk. All fresh and processed food was structured at the nanoscale, and consequently, the body evolved over time to deal with nanoscaled materials.

Few studies have been performed on the incorporation of nanotechnology incorporation into trade [65]. Furthermore, no products that contained oil nanoencapsulation were found in the market. However, there are numerous oil microencapsulation products that can be found in trade, and there is an article that highlights this information [93]. This finding may be attributed to the fact that, in general, nanotechnology is relatively new, and it is a relatively complex technology to employ. However, it is possible to notice some similarities between the methods used for the micro and nanoencapsulation of oils. In addition, the regulation gap in nanotechnology raises some uncertainties about the use of this technology in the market.

Concerning nanotechnology regulation, there are a number of ongoing EU research projects aimed at addressing all aspects of nanosafety, including toxicology, ecotoxicology, risk assessment, exposure assessment, mechanisms of interaction, and standardization. Examples of ongoing EU projects include the NanoLyse project, which is dedicated to the development of analytical tools for the detection and characterization of engineered nanoparticles in food, and the NanoReTox project, which seeks to address the human health and environmental implications of exposure to engineered nanoparticles [94]. However, regulatory institutions such as the Environmental Protection Agency (EPA) and the Food and Drug Administration (FDA) in the USA or the Health and Consumer Protection Directorate of the European Commission have started addressing the potential risks posed by nanoparticles. So far, neither engineered nanoparticles nor the products and materials that contain them are subject to any special regulation regarding production, handling, or labeling.

Although there is no specific nanoparticle regulation, there are some food industry patent documents deposited in different countries. WO2018029626, a patent application from Argentina, focused on chia oil with an edible nanoemulsion. It described a chia oil nanoemulsion comprising between 10 and 20% of chia oil (Salvia hispanica L. ), between 2 and 5% of polysorbate, between 0.5 and 5% of at least one emulsifier other than the polysorbate, between 0.05 and 0.2% of at least one antioxidant, and water. Formulations of edible chia oil nanoemulsions used in transparent drinks and desserts, such as juices and jellies, were disclosed [95]. A patent application from the Republic of Korea, KR20160005182, focused on cinnamon oil nanoemulsions to inhibit the development and increase of dangerous food microorganisms. Furthermore, this invention could not only be used for food additives, food packaging materials, preservatives, etc. but also be utilized in the pharmaceutical and cosmetic industries [96]. A mustard oil nanoemulsion application patent from China, CN103315956, was prepared to alleviate the pungent smell of mustard oil to avoid volatilization, and the mustard oil may be used for bacterial resistance in food and drugs [97]. Wang Weichun Feng Wei submitted an application patent from China, CN103750050, describing a palm oil nanoemulsion that solved the problems of high grease costs, low absorption rates, low oil content in the existing prepared palm oil nanoemulsions, large granularity, poor stability, long production periods, high equipment investments, and high production costs in existing young animal feeds. The palm oil nanoemulsion was prepared by mixing an emulsifier with palm oil, cutting and emulsifying the mixture, and ultrasonically performing cell breaking in the mixture. The process was simple, the entire reaction process was easily controlled, the entire process production period was short, the equipment investment and production costs were low, the oil content of the produced nanoemulsion was high, the distribution granularity was small, the stability was good, and the digestion by livestock increased [98].

There is a growing trend of oil nanoencapsulation patent applications, indicating that many innovations have been made and attesting to the technology the global market.

Conclusion

Nanoencapsulation is well-established for oil preservation. It offers a plethora of advantages, including the effective protection of the encapsulated oil against degradation, the possibility of accurate control of the oil release, easy administration, and avoidance of the evaporation of the volatile components. Moreover, nanoencapsulation may be achieved by a variety of techniques. Technique selection will depend on the physicochemical characteristics of the active compounds, the processing conditions, particle size and density necessary to incorporate the oil properly into the final product, the mechanism of release, and the cost constraints. Although there currently are not many oil nanoencapsulation products in the food market, there is no doubt that if boosted by recent remarkable scientific advances, new approaches in oil nanoencapsulation will soon be considered in the application of oils in food additives and nutritional supplements, and patents application will continue to increase.

Abréviations

CG:

Cashew gum

CO₂ :

Carbon dioxide

DHA:

Docosahexaenoic acid

DLS :

Diffusion dynamique de la lumière

EOs:

Essential oils

EPA:

Eicosapentaenoic acid

ESO:

Eucalyptus staigeriana essential oil

FA:

Ferulic acid

FDA:

Food and Drug Administration

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

HOPO:

High-oleic palm oil

LD:

Laser diffraction

n-3:

Omega-3 fatty acids

n-6:

Omega-6 fatty acids

PCL :

Poly(ε-caprolactone)

PDI :

Indice de polydispersité

PUFA:

Polyunsaturated fatty acids

SFEE:

Supercritical fluid extraction of emulsions

SLN :

Nanoparticules lipidiques solides

Toc:

Tocopherol

US EPA:

United States Environmental Protection Agency

UV :

Ultraviolet radiation