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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Microencapsulation techniques are known to be applied in several industrial fields. Nevertheless, the recent concern about avoiding methodologies that involve hazardous chemicals, generally associated with environmental impacts and adverse effects on human’s health, has focused attention on alternative sustainable approaches. In this context, the objective of the work focused on using chitosan (CS), combined with gelatin (GE) through the emerging enzyme-induced crosslinking approach, in particular, transglutaminase (TGase) to consolidate the particles, avoiding traditionally used chemical crosslinking routes. This approach was also complemented with the physical crosslinking strategy with tripolyphosphate (TPP). Thus, through the dripping technique, the preparation of the particles was consolidated by an external physical crosslinking, being later subjected to an internal covalent crosslinking to reinforce their structure. The synthesis conditions and particles composition were optimized by a design of experiments approach, specifically through a central composite rotatable design (CCRD). The gelatin content (x1, % wt), TGase concentration (x2, U/ggel) and reticulation time (x3, min) variables were analysed, considering as the evaluating responses, the water content after particles production (Y1, %wt), the swelling degree (SD) at pH 3 for 2 h (Y2, %wt), SD at pH 7 for 6 h (Y3, %wt) and SD in continuous, i.e. subjecting the same sample at pH 3 followed by 7 for 2 h and 6 h (Y4, %wt). The selected pHs and corresponding swelling times, namely pH 3 (2 h) and pH 7 (6 h), were determined to simulate gastrointestinal digestion conditions. It was pursued to determine the most suitable formulation with potential to be loaded with bioactive compounds in later steps, providing them protection during the gastric digestion and to be released later in the intestine. Apart from the simulated gastrointestinal conditions through swelling degree (SD) tests, the particles were also characterized by means of optical microscopy (OM) and by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), aiming at monitoring the particle’s morphology and structure variations during the digestion process, as well as to identify the functional groups and interactions and analyse their evolution in the SD tests. Since the responses Y2, Y3 and Y4 did not fit to determine their predictive model in a first experimental design (CCRD1), it was required to develop a second one (CCRD2) considering the increase in the study interval of variables x2 and x3 responsible for the chemical crosslinking. The results of CCRD2 allowed to obtain valid models for Y1, Y2 and Y4 responses. Therefore, based on the models, an optimized formulation (5%wt gelatin; 36 U/ggel of TGase, and 60 min of TGase crosslinking) was defined and prepared to validate the predicted models and to verify its potential to be later loaded with bioactive compounds. Concurrently, the OM images confirmed the consolidation of the particles as well as their changes in the simulated gastrointestinal conditions, while the FTIR analyses confirmed the structural changes in CS (and GE) due to the physical and chemical crosslinking through TPP and TGase, respectively. In view of the need of novel environmentally friendly methodologies, the present work has shown the potential of developing strategies to comply with sustainable goals, while providing a promising natural biomaterial for the protection and delivery of bioactive compounds in specific conditions.
As técnicas de microencapsulamento são conhecidas por serem aplicadas nas mais diversas áreas industriais. A recente preocupação em evitar metodologias envolvendo produtos químicos perigosos, geralmente associados a impactos adversos no meio ambiente e saúde, têm motivado a utilização de metodologias sustentáveis. Neste contexto, o objetivo do trabalho focou no uso do quitosano (CS), combinado com a gelatina (GE) utilizando reticulação induzida por enzimas, particularmente a transglutaminase (TGase) para consolidar as particulas, evitando as estratégias químicas de reticulação tradicionais. Esta abordagem foi também complementada com uma estratégia de reticulação física com o tripolifosfato (TPP). Assim, usando a técnica de gotejamento, a preparação das partículas foi feita por crosslinking físico externo, seguido de crosslinking covalente interno, visando reforçar a estrutura. As condições de síntese e composição das partículas foram otimizadas através um desenho de experiências, especificamente um delineamento composto central rotacional (CCRD). O teor de gelatina (x1, % em massa), concentração de TGase (x2, U/ggel) e o tempo de reticulação (x3, minutos) foram as variáveis analisados, considerando como respostas, o teor de água após a produção de microesferas (Y1, % em massa), o grau de inchamento (SD) em pH 3 por 2 h (Y2, % em massa), SD em pH 7 por 6 h (Y3,% em massa) e SD em contínuo, isto é a submissão da mesma amostra a pH 3 seguido de 7 por 2 h e 6 h, respetivamente (Y4,% em massa). Os pHs selecionados e os tempos de inchamento, nomeadamente pH 3 (2 h) e pH 7 (6 h), foram avaliados para simular as condições de digestão gastrointestinal. Pretendeu-se determinar a formulação mais adequada para ser carregada com compostos bioativos, fornecendo-lhes proteção durante a digestão gástrica e libertação no intestino. Além da simulação das condições gastrointestinais por meio de testes do grau de inchamento (SD), as partículas foram caracterizadas através de microscopia óptica (OM) e por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), visando monitorar a morfologia das partículas e as variações na estrutura durante o processo de digestão, assim como identificar os grupos funcionais e interações nos testes de SD. Tendo em consideração que as respostas Y2, Y3 e Y4 não se ajustaram para determinar o seu modelo preditivo no primeiro desenho experimental (CCRD1), foi necessário o desenvolvimento de um segundo (CCRD2) considerando a ampliação da gama de estudo das variáveis x2 e x3 responsáveis pelo reticulação química. Os resultados do CCRD2 permitiram a obtenção de modelos válidos para as respostas Y1, Y2 e Y4. Com base nos modelos, a formulação optimizada (5% em massa de GE; 36 U/ggel de TGase, e 60 min de reticulação com TGase) foi definida e preparada para validar os modelos preditos e verificar o seu potencial para ser posteriormente carregado com compostos bioativos. As imagens de OM confirmaram a consolidação das partículas bem como as alterações na simulação das condições dos estágios gastrointestinais, enquanto as análises de FTIR confirmaram as variações estruturais do CS (e GE) devido à reticulação física e química com o TPP e TGase, respetivamente. Tendo em consideração a necessidade de novas metodologias ambientalmente amigáveis, o presente trabalho demonstrou o potencial da técnica de reticulação enzimática no desenvolvimento de estratégias para cumprir com metas sustentáveis para além de gerar um biomaterial natural promissor para a proteção e libertação de compostos bioativos em condições especificas.
As técnicas de microencapsulamento são conhecidas por serem aplicadas nas mais diversas áreas industriais. A recente preocupação em evitar metodologias envolvendo produtos químicos perigosos, geralmente associados a impactos adversos no meio ambiente e saúde, têm motivado a utilização de metodologias sustentáveis. Neste contexto, o objetivo do trabalho focou no uso do quitosano (CS), combinado com a gelatina (GE) utilizando reticulação induzida por enzimas, particularmente a transglutaminase (TGase) para consolidar as particulas, evitando as estratégias químicas de reticulação tradicionais. Esta abordagem foi também complementada com uma estratégia de reticulação física com o tripolifosfato (TPP). Assim, usando a técnica de gotejamento, a preparação das partículas foi feita por crosslinking físico externo, seguido de crosslinking covalente interno, visando reforçar a estrutura. As condições de síntese e composição das partículas foram otimizadas através um desenho de experiências, especificamente um delineamento composto central rotacional (CCRD). O teor de gelatina (x1, % em massa), concentração de TGase (x2, U/ggel) e o tempo de reticulação (x3, minutos) foram as variáveis analisados, considerando como respostas, o teor de água após a produção de microesferas (Y1, % em massa), o grau de inchamento (SD) em pH 3 por 2 h (Y2, % em massa), SD em pH 7 por 6 h (Y3,% em massa) e SD em contínuo, isto é a submissão da mesma amostra a pH 3 seguido de 7 por 2 h e 6 h, respetivamente (Y4,% em massa). Os pHs selecionados e os tempos de inchamento, nomeadamente pH 3 (2 h) e pH 7 (6 h), foram avaliados para simular as condições de digestão gastrointestinal. Pretendeu-se determinar a formulação mais adequada para ser carregada com compostos bioativos, fornecendo-lhes proteção durante a digestão gástrica e libertação no intestino. Além da simulação das condições gastrointestinais por meio de testes do grau de inchamento (SD), as partículas foram caracterizadas através de microscopia óptica (OM) e por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), visando monitorar a morfologia das partículas e as variações na estrutura durante o processo de digestão, assim como identificar os grupos funcionais e interações nos testes de SD. Tendo em consideração que as respostas Y2, Y3 e Y4 não se ajustaram para determinar o seu modelo preditivo no primeiro desenho experimental (CCRD1), foi necessário o desenvolvimento de um segundo (CCRD2) considerando a ampliação da gama de estudo das variáveis x2 e x3 responsáveis pelo reticulação química. Os resultados do CCRD2 permitiram a obtenção de modelos válidos para as respostas Y1, Y2 e Y4. Com base nos modelos, a formulação optimizada (5% em massa de GE; 36 U/ggel de TGase, e 60 min de reticulação com TGase) foi definida e preparada para validar os modelos preditos e verificar o seu potencial para ser posteriormente carregado com compostos bioativos. As imagens de OM confirmaram a consolidação das partículas bem como as alterações na simulação das condições dos estágios gastrointestinais, enquanto as análises de FTIR confirmaram as variações estruturais do CS (e GE) devido à reticulação física e química com o TPP e TGase, respetivamente. Tendo em consideração a necessidade de novas metodologias ambientalmente amigáveis, o presente trabalho demonstrou o potencial da técnica de reticulação enzimática no desenvolvimento de estratégias para cumprir com metas sustentáveis para além de gerar um biomaterial natural promissor para a proteção e libertação de compostos bioativos em condições especificas.
Descrição
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Palavras-chave
Chitosan Enzymatic crosslinking Microencapsulation Optimization Sustainable