Effect of pH and b-lactoglobulin particle morphology on the stabilization of amylopectin and xyloglucan emulsions

Abstract

Resumo: As emulsões são sistemas coloidais compostos por uma fase contínua e outra dispersa que estão presentes em alimentos do cotidiano - exemplos dessas emulsões incluem a manteiga, sorvetes e maioneses. Embora a separação de fases em sistemas poliméricos seja um problema encontrado industrialmente, um tipo de emulsão que ainda não está presente na indústria alimentícia são as de água em água (a/a), que são compostas por dois polímeros hidrofílicos, mas termodinamicamente incompatíveis entre si. Esses sistemas se manifestam de maneira particularmente promissora para a indústria alimentícia por abrirem a possibilidade do desenvolvimento de emulsões livres de uma fase oleosa. Alguns materiais se apresentam como alternativas para estabilizar tais sistemas a/a que separam fase, como é o caso das partículas proteicas que se adsorvem na interface pelo efeito Pickering. Aqui, são mostradas emulsões de amilopectina em xiloglucana estabilizadas por microgéis e nanofibrilas de ß-lactoglobulina (ß-lg). A amilopectina (AMP) é o principal componente do amido, um homopolissacarídeo que possui grande relevância industrial e nutricional. O outro polissacarídeo utilizado, a xiloglucana (XG), é obtido a partir do endosperma de sementes de tamarindo, material comercializado em países como a Índia e o Japão. A ß-lactoglobulina (ß-lg) é uma das proteínas presentes na fração solúvel do soro do leite bovino (WPI). No presente trabalho, diferentes fontes de xiloglucana foram utilizadas e foi possível comparar o efeito que a massa molar desses materiais tem na estabilidade das emulsões. As emulsões de AMP e XG foram avaliadas em diferentes valores de pH (4,0, 5,0, 6,0 e 7,0) a fim de comparar o efeito da morfologia de partículas esféricas e no formato de bastões em cada condição de pH. Baseando-se nos três diagramas de fase construídos, foi possível identificar que a separação de fases leva mais tempo para ocorrer ao aumentar a massa molar da xiloglucana utilizada. Ao comparar o efeito da morfologia da partícula utilizada, percebeu-se que as nanofibrilas apresentaram maior capacidade de se adsorver na interface, tanto por maiores períodos de tempo quanto em uma maior faixa de pH, visto que ao utilizar nanofibrilas se observou efeito Pickering quando o pH era maior do que 5,0, efeito não observado para os microgéis. Tal vantagem apresentada pelas fibrilas se deve ao seu maior ponto isoelétrico, além da sua morfologia de bastão que pode apresentar um maior número de pontos de contato na interface. Por meio da adição de diferentes concentrações salinas foi avaliado o efeito da blindagem dos potenciais repulsivos presentes na interface das partículas sobre a estabilidade das emulsões. Os resultados obtidos indicam que um dos parâmetros relevantes na estabilização das emulsões aqui avaliadas é a partícula proteica estar em um pH abaixo de seu ponto isoelétrico e ter a sua carga positiva mantida. Embora ainda exista muito a ser estudado e discutido, o presente trabalho se apresenta como um passo a mais rumo ao desenvolvimento de produtos alimentícios que sejam nutritivos, agradáveis sensoriamente, dietéticos e estáveis.

Abstract: Emulsions are colloidal systems composed of continuous and dispersed phases. They are present in daily foods - examples of these emulsions include butter, ice cream, and mayonnaise. Although the phase separation in polymeric systems is an industrial problem, a type of emulsion that is not yet present in the food industry is the water-in-water (w/w), which is composed of two hydrophilic polymers that are thermodynamically incompatible with each other. These systems are particularly promising for the food industry as they open up the possibility of developing oily-free emulsions. Some materials present themselves as good alternatives to stabilize such phase-separated w/w systems, and that is the case of protein particles that adsorb at the interface by the so-called Pickering effect. Here, amylopectin (AMP) in xyloglucan (XG) emulsions were stabilized by ß-lactoglobulin (ß-lg) microgels and nanofibrils. Amylopectin is the main component of starch, a homopolysaccharide with industrial and nutritional relevance. The other polysaccharide used, xyloglucan, is obtained from the endosperm of tamarind seeds, a commercial material used and exported by countries such as India and Japan. ß-lactoglobulin is one of the proteins in the soluble fraction of bovine whey protein (WPI). In the present work, different sources of xyloglucan were used and it was possible to compare the effect that the molar mass of these materials had on the stability of the emulsions. The AMP and XG emulsions were evaluated at different pH values (4.0, 5.0, 6.0, and 7.0) in order to compare the effect of spherical and rod particle shapes in each condition of pH. Based on the three phase diagrams constructed, it was possible to identify that the phase separation takes longer to occur when increasing the molar mass of the xyloglucan used. When comparing the effect of the particle morphology, it was noticed that the nanofibrils showed a greater ability to adsorb at the interface, both for longer periods of time and in a greater pH range, since they stabilized the emulsions by the Pickering effect when the pH was higher than 5.0, while microgels did not. This advantage presented by fibrils is due to their higher isoelectric point, in addition to their rod morphology, which can present a greater number of contact points at the interface. Through the addition of different saline concentrations, the effect of screening the repulsive potentials present at the particle interface on the stability of the emulsions was evaluated. The results obtained indicate that one important parameter in the stabilization of the AMP and XG emulsions is that the protein particle is below its isoelectric point and has its positive surface potential preserved. Although there is still much to be studied and discussed, the present work presents itself as a step towards the development of food products that are nutritious, dietetic, and stable.