Aplicação de nanopartículas de gliadina para estabilização de emulsões água em água (hidroxipropilmetilcelulose/amilopectina) por efeito pickering

Abstract

Resumo: As emulsões representam sistemas coloidais onde uma fase líquida é dispersa em outra, sendo ambas imiscíveis. Esses sistemas são amplamente utilizados em diversas indústrias. Na indústria alimentícia, por exemplo, encontram-se em produtos como maionese e leite. Já na indústria de cosméticos, são comuns em cremes e maquiagens. Um tipo específico de emulsão, ainda não comercializado, são as emulsões água-em-água (A/A), que consistem em dois polímeros solúveis em água que tendem à separação fases quando misturados. As emulsões A/A mimetizam ambientes biológicos, apresentando, portanto, um potencial significativo para aplicações em cultivo celular 3D, biolubrificantes e separação de biomoléculas ou simplesmente na produção de emulsões livres de óleo. Ao contrário das emulsões convencionais, as emulsões A/A não podem ser estabilizadas por surfactantes devido à interface mais espessa e à baixa tensão interfacial desses sistemas. Uma alternativa promissora para impedir a separação de fases em emulsões A/A é a adsorção de partículas sólidas na interface líquido-líquido, resultando nas chamadas emulsões de Pickering. Neste contexto, buscando a formulação de emulsões estáveis, emulsões A/A foram preparadas pela mistura de dispersões dos polissacarídeos amilopectina (AMP) e hidroxipropilmetilcelulose (HPMC), com diferentes concentrações de nanopartículas de gliadina (NPG) para a estabilização, variando de 0,05 a 1 % (m m-1). Baseando-se no diagrama de fases da mistura AMP/HPMC, foram formuladas emulsões de AMP em HPMC com concentrações poliméricas de 1,26 % e 0,77 % (m m-1), respectivamente, e de HPMC em AMP com concentrações de 4,62 % e 0,29 % (m m-1), respectivamente. As diferentes emulsões preparadas foram caracterizadas de forma macroscópica e microscópica, através da microscopia confocal a laser. No Ponto 1, com HPMC como fase contínua, as NPG não foram capazes de estabilizar as emulsões por mais de 48 horas. No Ponto 2, com AMP como fase contínua, volumes emulsionados foram observados por até 35 dias de estabilização. Em ambos os pontos, o mecanismo de estabilização observado foi por efeito Pickering. As NPG utilizadas foram caracterizadas por espalhamento de luz dinâmico e microscopia de força atômica, apresentando formato esférico e tamanho médio de 207,9 nm em pH 5. Esses resultados são pioneiros na utilização de NPG para a estabilização de emulsões A/A, destacando-se especialmente pelo emprego de polímeros de grau farmacêutico e a substituição de partículas de origem animal por vegetais. Este estudo abre novos caminhos para pesquisas adicionais visando aumentar ainda mais a estabilidade das emulsões formadas e potencialmente introduzir emulsões A/A no mercado.

Abstract: Emulsions represent colloidal systems where one liquid phase is dispersed within another, with both being immiscible. These systems are widely used in various industries. In the food industry, for example, they are found in products like mayonnaise and milk. In the cosmetics industry, they are common in creams and makeup. A specific type of emulsion, not yet commercialized, is water-in-water (W/W) emulsions, which consist of two water-soluble polymers that tend to separate phases when mixed. W/W emulsions mimic biological environments and therefore have significant potential for applications in 3D cell culture, biolubricants, biomolecule separation, or simply in the production of oil-free emulsions. Unlike conventional emulsions, W/W emulsions cannot be stabilized by surfactants due to the thicker interface and low interfacial tension of these systems. A promising alternative to prevent phase separation in W/W emulsions is the adsorption of solid particles at the liquid-liquid interface, resulting in so-called Pickering emulsions. In this context, aiming to formulate stable emulsions, W/W emulsions were prepared by mixing dispersions of the polysaccharides amylopectin (AMP) and hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) with different concentrations of gliadin nanoparticles (GNP), ranging from 0.05 to 1 % (m m-1). Based on the phase diagram of the AMP/HPMC mixture, emulsions of AMP in HPMC were formulated with polymer concentrations of 1.26 % and 0.77 % (w w-1), respectively, and HPMC in AMP with concentrations of 4.62 % and 0.29 % (w w-1), respectively. The different emulsions prepared were characterized both macroscopically and microscopically using laser confocal microscopy. At Point 1, with HPMC as the continuous phase, the NPGs were unable to stabilize the emulsions for more than 48 hours. At Point 2, with AMP as the continuous phase, emulsified volumes were observed for up to 35 days of stabilization. In both points, the observed stabilization mechanism was via the Pickering effect. The GNPs used were characterized by dynamic light scattering and atomic force microscopy, exhibiting a spherical shape and an average size of 207.9 nm at pH 5. These results are pioneering in the use of NPGs for the stabilization of W/W emulsions, particularly noteworthy for the use of pharmaceutical-grade polymers and the replacement of animal-derived particles with plant-based ones. This study paves the way for further research aimed at enhancing the stability of the formed emulsions and potentially introducing W/W emulsions to the market.