Physical stability and rheological properties of protein-protein multilayer O/W emulsions

Conventional emulsions stabilized by proteins show limited stability to different processes and physicochemical conditions, mainly pH, heating, dehydration, etc. This limitation can be overcome by adding a further interfacial layer around oil droplets composed of emulsifiers and/or stabilizers. This type of emulsion is built by using the layer-by-layer technique (LbL), which consists of direct adsorption of an oppositely charged polyelectrolyte layer on a primary layer of charged emulsifier as proteins. Animal and vegetables sources of proteins are natural emulsifiers and present many advantages like biocompatibility, good amphiphilic and nutritional properties. Polysaccharides have been typically used to form the second layer around lipid droplets using the electrostatic deposition method. However proteins could be also used since these biopolymers are positive or negatively charged depending of the solution pH. In this work the electrostatic LbL deposition approach was utilized to formulate emulsions containing two protein layers composed by globular (whey protein isolate and lactoferrin) and flexible (gelatin) proteins. Therefore, this work aimed at evaluating the impact of interactions between flexible-globular proteins on the stability and rheological properties of multilayers O/W emulsions. The impact of whey protein (globular and negatively charged protein) and gelatin (flexible and positively charged protein) deposited sequentially at concentrations of 0.5%, 1% and 1.5% (w/w) on the surface of primary oil-in-water emulsions containing 5% (w/w) of sunflower oil stabilized by either 0.5% (w/w) gelatin or whey protein, respectively, was investigated at pH 7. These systems were compared with similar emulsions formed by lactoferrin (globular and positively charged protein) and whey protein (globular-globular proteins interaction). Droplet size, zeta potential, creaming index (21 days of storage), microstructure and rheological behavior of these emulsions were studied. Regarding globular-globular interaction, the use of whey protein in the second layer favored the emulsion stability, which was associated to the smaller droplet size. These stable emulsions showed Newtonian fluid behavior and low viscosity. Droplet size increased when lactoferrin was used in the second layer leading to unstable emulsions that presented shear thinning fluid behavior. Concerning the globular-flexible proteins interaction, there was an increase of droplet size during the storage, which led to slowly phase separation. A Newtonian fluid behavior was observed when WPI was in the external layer and shear thinning fluid behavior was observed in the opposite situation. In all cases, even at the highest concentration of whey protein, the surface charge of the oil droplets was lower than the surface charge of proteins solution. Only for emulsions with lactoferrin in the first layer and WPI in the external layer, there was an increase of the charge enough to avoid flocculation. From these data, it could be concluded that, to form a multilayer emulsion, it is better use a protein with the same main structure. These systems could be interesting for food applications, as encapsulation system requiring a slowly or controlled release of compounds.

Le comuni emulsioni stabilizzate da proteine possiedono una resistenza limitata a diversi processi e condizioni fisico-chimiche, come cambiamenti di temperatura o pH, disidratazione, ecc. Questa limitazione può essere superata aggiungendo un ulteriore strato interfacciale (layer) utilizzando emulsionanti e/o stabilizzanti. Questo tipo di emulsione (chiamata emulsione multistrato) viene costruita utilizzando la tecnica layer-by-layer (LbL), che consiste nell'adsorbimento diretto di uno strato di polielettrolita con carica opposta rispetto allo strato primario di emulsionante. Le proteine derivanti da fonte animale o vegetale sono emulsionanti naturali e presentano molti vantaggi come elevata biocompatibilità o buone proprietà anfifiliche e nutrizionali. I polisaccaridi sono spesso utilizzati per formare il secondo strato intorno alle gocce lipidiche utilizzando il metodo di deposizione elettrostatica. Tuttavia, anche le proteine potrebbero essere utilizzate a questo scopo, poiché questi biopolimeri sono caricati positivamente o negativamente a seconda del pH della soluzione. In questo lavoro l'approccio di deposizione elettrostatica LbL è stato utilizzato per formulare emulsioni contenenti due strati proteici composti da proteine globulari (WPI (proteina del siero del latte) e/o lattoferrina) e flessibili (gelatina). Pertanto, questo lavoro mira a valutare l'impatto sulla stabilità e sulle proprietà reologiche delle interazioni tra proteine flessibili- proteine globulari nelle emulsioni O/W multistrato. È inizialmente studiato l'impatto della proteina del siero del latte (proteina globulare e carica negativamente) e della gelatina (proteina flessibile e carica positivamente), in soluzioni a pH 7, depositati sequenzialmente a concentrazioni di 0.5%, 1% e 1.5% in peso sulla superficie di emulsioni primarie olio-in-acqua contenenti il 5% in peso di olio di girasole e stabilizzate con gelatina o proteina del siero del latte, rispettivamente, allo 0.5% in peso. Queste emulsioni sono state confrontate con emulsioni simili formate da lattoferrina (globulare e carica positivamente) e proteine del siero del latte (interazione tra due proteine globulari). Sono stati studiati le dimensioni delle gocce, il potenziale zeta, l'indice di scrematura (21 giorni di conservazione), la microstruttura e il comportamento reologico di queste emulsioni. Per quanto riguarda l'interazione globulare-globulare, l'uso della proteina del siero del latte nel secondo strato ha favorito la stabilità dell'emulsione, che è stata associata alle più piccole dimensioni della goccia lipidica. Queste emulsioni stabili mostrano un comportamento reologico newtoniano e una bassa viscosità. Le dimensioni delle gocce sono aumentate quando nel secondo strato è stata utilizzata la lattoferrina, portando a emulsioni instabili che presentavano un comportamento shear thinning. Per quanto riguarda l'interazione tra le proteine globulari e flessibili, c'è stato un aumento delle dimensioni delle gocce durante la conservazione, che ha portato ad una lenta separazione di fase. Un comportamento newtoniano è stato osservato quando la WPI si trovava nello strato esterno ed è stato osservato un comportamento shear thinning nel caso opposto. In tutti i casi, anche alla più alta concentrazione di proteine del siero del latte, la carica superficiale delle gocce di olio era inferiore alla carica superficiale della soluzione proteica. Solo per le emulsioni con lattoferrina nel primo strato e WPI nello strato esterno, c'è stato un aumento della carica sufficiente da evitare il fenomeno di flocculazione delle gocce di olio. Da questi dati, si può concludere che, per formare un'emulsione multistrato, è meglio usare due proteine con la stessa struttura. Inoltre, i sistemi studiati potrebbero essere interessanti nei sistemi di incapsulamento, che richiedono un rilascio lento o controllato di composti.