Emulsifying Properties of Chitosan and Chitosan/Gelatin Complexes

Les systèmes de libération à base d'émulsions sont les plus courants pour encapsuler des composants lipophiles bioactifs, tels que les acides gras ω-3 et les vitamines solubles à l'huile; ces derniers sont largement appliqués dans les domaines alimentaire et pharmaceutique. Cependant, en raison de leur faible solubilité à l'eau et leur instabilité physicochimique, ils ont besoin d'être protégés par des techniques d'encapsulation pendant les procédés de fabrication et le stockage. Idéalement, les matériaux sélectionnés pour former la coque d'encapsulation doivent être des biomatériaux naturels pour des raisons de biocompatibilité, biodégradabilité, etc. Étant donné que les propriétés émulsifiantes sont la caractéristique la plus importante pour qu'un matériau polymère devienne un bon candidat pour la coque, la conception d'une structure macromoléculaire avec des propriétés émulsifiantes améliorées s'avère d'une importance capitale. L'objectif général de cette thèse est de développer de nouveaux émulsifiants à base de biopolymères pour des applications alimentaires et pharmaceutiques, en utilisant un polysaccharide biosourcé (chitosane), une protéine (gélatine) et l'huile de maïs comme un système modèle. Dans ce travail, les propriétés émulsifiantes du chitosane ont été examinées en préparant des émulsions d'huile dans l'eau (O/W) à l'aide de l'homogénéisation par ultrasons à haute intensité (HIU). Les résultats ont montré que le chitosane est un émulsifiant naturel intéressant pour la fabrication des émulsions O/W classiques ainsi que de type Pickering, toutes les deux avec une taille de gouttelettes très fine et une bonne stabilité à long terme. Ceci a été réalisé sans l'addition d'agents tensioactifs ou agents de réticulation, et tout simplement en ajustant les valeurs du pH des solutions de chitosane. Au cours de la préparation de l'émulsion, l'application de l'HIU a donné lieu à une rupture des agglomérats de chitosane et à une diminution de son poids moléculaire, tandis que l'augmentation du pH a provoqué une transition dans la conformation de la chaîne d'étendue à compacte ce qui a promu davantage l'amélioration des propriétés émulsifiantes du chitosane. L'émulsion de type Pickering formée à pH 6.5 a montré une stabilité remarquable induite par la présence des nanoparticules de chitosane à l'interface gouttelettes huile/eau; l'émulsion classique formée à pH 5.5 a également montré une bonne stabilité en raison de l'encombrement stérique et électrostatique. Les conclusions de cette partie du travail ont suggéré que le chitosane lui-même a un grand potentiel pour être utilisé comme un émulsifiant et v stabilisateur à pH contrôlé pour la production d'émulsions O/W, sans l'ajout d'agents tensioactifs. Considérant que dans les systèmes commerciaux utilisés dans les domaines alimentaire ou pharmaceutique, les protéines et les polysaccharides coexistent très souvent, les interactions du chitosane (CH) avec une protéine de structure linéaire, la gélatine type B (GB), ont été étudiées. On a constaté que la formation de complexes de polyélectrolytes entre le chitosane et la gélatine était grandement affectée par le pH, la force ionique et le temps d'entreposage. Les complexes CH/GB ont été formés seulement dans la région de pH associée à une opposition de charge (5 (pIGB) < pH < 6.5 (pKaCH)), où les solutions aqueuses ont évolué de transparentes à turbides jusqu'à ce que la séparation de phases ait lieu après une semaine de d'entreposage. La force ionique - de faible à modérée - a intensifié la formation du complexe, tandis que l'augmentation au-delà a entrainé une diminution. En favorisant une durée d'entreposage plus longue, la phase séparée s'est transformée d'un système liquide à un gel colloïdal thermoréversible, comme démontré par microscopie confocale à balayage laser ainsi que par les données rhéologiques. Enfin, le complexe insoluble CH/GB (avant la séparation de phases) a été utilisé pour la première fois pour fabriquer des émulsions et gels d'émulsions de type Pickering, très stables à long terme, en utilisant à nouveau l'HIU. Le pH a montré un effet remarquable sur l'activité de surface des systèmes mixtes CH/GB, et la présence de complexes CH/GB a diminué de manière significative la tension superficielle à l'interface huile/eau. En comparaison avec les émulsions stabilisées par le CH seul, l'adsorption de particules du complexe CH/GB à l'interface huile/eau a bénéficié la formation de gouttelettes d'émulsion de plus petite taille, et a empêché efficacement leur coalescence, fait supporté par l'allongement de la stabilité de l'émulsion à long terme. La formation de réseaux de gouttelettes a été considérablement accélérée par l'augmentation de la fraction volumique de l'huile, ce qui a donné lieu à des gels d'émulsions thermoréversibles avec un comportement de type solide ayant des propriétés viscoélastiques ajustables, qui peuvent conséquemment être des matériaux appropriés pour l'encapsulation et/ou l'enrobage dans des applications alimentaires et pharmaceutiques.

Abstract

Emulsion-based delivery systems are the most common methods to encapsulate lipophilic bioactive components, such as ω-3 fatty acids and oil-soluble vitamins, which are widely applied in food and pharmaceutical areas but need to be protected during processing and storage by encapsulation techniques, due to their low water-solubility, physical or chemical instability. Ideally, the encapsulating shell materials should be selected from natural biomaterials for reasons of biocompatibility, biodegradability, etc. Considering that the most important characteristics for polymeric materials to act as good shell protections are their emulsifying properties, designing a macromolecular structure with improved emulsifying properties turns out to be of key importance. The overall objective of this thesis is to develop novel biopolymer-based emulsifiers for food and pharmaceutical applications, using bio-sourced polysaccharide (chitosan) and protein (gelatin), and using corn oil as a model system. In this work the emulsifying properties of chitosan itself were investigated first, by fabricating oil-in-water (O/W) emulsions with the assistance of high intensity ultrasonic (HIU) homogenization. The results showed that chitosan is an interesting natural emulsifier for fabricating both conventional and Pickering O/W emulsions with very fine droplet size and long-term stability. This was achieved without the use of any additional surfactant or crosslinking agent, and simply by adjusting the pH values of the chitosan solutions. During the emulsion preparation, the role of HIU resulted in a disassembly of chitosan agglomerates and a decrease of molecular weight, while increasing pH caused a chain conformation transition from extended to compact, which were found beneficial to the improvement of the emulsifying properties of chitosan. The long-term stability of the Pickering emulsion formed at pH 6.5 was remarkable due to the stabilization induced by chitosan nanoparticles at the oil/water interface, and that of the conventional emulsion formed at pH 5.5 was also considerable due to steric and electrostatic hindrance. The findings in this part of the work suggested that chitosan by itself has a great potential to be used as a pH-controlled emulsifier and stabilizer for the production of biodegradable, surfactant-free and even edible O/W emulsions. Considering that in real food or pharmaceutical systems, proteins and polysaccharides most often coexist, the interactions of chitosan (CH) with a linear structured protein, gelatin type B (GB), were investigated. It was found that the formation of polyelectrolyte complexes between vii chitosan and gelatin was greatly affected by pH, ionic strength, and storage time. CH/GB complexes were only formed in the oppositely charged pH region (5 (pIGB) < pH < 6.5 (pKaCH)), where the aqueous solutions evolved from transparent to turbid until phase separation occurred after one week of storage. Low and moderate ionic strength intensified complex formation, while it decreased it at higher salt content. With increasing storage time, the separated dense phase changed from a liquid-like system to a thermoreversible colloidal gel, as supported by confocal laser scanning microscopy as well as rheological data. Finally, the corresponding insoluble CH/GB complexes (before phase separation) were used to fabricate, for the first time, long-term stability Pickering emulsions and emulsion gels, using again HIU homogenization. The pH showed a remarkable effect on the surface activity of CH/GB mixed systems, and the presence of CH/GB complexes significantly decreased the surface tension of the oil/water interface. Compared to CH-stabilized emulsions, the adsorption of CH/GB complex particles at the oil/water interface benefited the formation of smaller size emulsion droplets, and effectively hindered droplet coalescence as supported by the increase of the emulsion's long-term stability. The formation of droplet network structures was significantly accelerated by increasing the oil volume fraction, resulting in a more solid-like thermoreversible emulsion gel with tunable viscoelastic properties, which could be adequate candidates for encapsulation and as coating materials in food and pharmaceutical applications.