A study on the spray-dried Pickering emulsions coated by WPI/CHS as a carrier system for lipophilic bioactive compounds

Abstract

Pickering emulsion is a stabilized emulsion using solid particles and is a system that is in the spotlight because of its excellent stability compared to conventional emulsions using surfactants. However, Pickering emulsions are thermodynamically unstable, susceptible to microbial spoilage, and have limited application to various types of food, so there are still difficulties in applying them to the food industry. In this study, Pickering emulsions stabilized with whey protein isolate and surface-coated with chitosan were spray-dried for industrialization of Pickering emulsion. The surface of the Pickering emulsion was coated with chitosan, and the physicochemical properties and encapsulation efficiency of the emulsion powder were controlled using maltodextrin (MD) and gum Arabic (GA) as wall materials. Furthermore, the physicochemical properties and morphological changes of the spray-dried Pickering emulsion during the digestion process and the mucoadhesiveness were investigated. When preparing the Pickering emulsions, the interface between oil (10 wt%) and water was stabilized with whey protein isolate (1 wt%), and 0.4 wt% chitosan was coated to the surface of the Pickering emulsions by electrostatic adsorption. The encapsulation efficiency of the emulsion powder spray-dried by mixing 20 wt% of maltodextrin and gum Arabic increased as the content of the wall materials increased. When the Pickering emulsions were coated with chitosan, the encapsulation efficiencies were improved by about 20% to be more than 95%, and the moisture content and water activity were reduced. When the Pickering emulsions were coated with chitosan, the particle size rapidly increased after spray drying, and the use of gum Arabic during spray drying improved the dispersibility. The chitosan coating was able to prevent the coalescence of oil during the digestion of the spray-dried Pickering emulsion, and the Pickering emulsion powders exhibited strong mucoadhesiveness due to the positive charge of chitosan regardless of the type of wall material. In summary, these results suggest that the spray-dried Pickering emulsion developed in this study can be used in the food industry as a carrier for lipophilic compounds and nutraceuticals. This study could provide a basis for further research that aims to develop various types of a carrier for food.

피커링 에멀션은 고체 입자를 이용하여 에멀션을 안정화한 것으로, 계면활성제를 이용한 기존의 에멀션에 비해 안정성이 우수하여 각광받고 있는 시스템이다. 하지만, 피커링 에멀션은 열역학적으로 불안정하며 미생물에 의한 부패에 의해 취약하고, 다양한 유형의 식품으로의 활용이 제한적이기 때문에 여전히 식품산업에 적용하는 데 어려움이 있다. 본 연구에서는 분리유청단백으로 안정화하고 키토산으로 표면을 성형한 피커링 에멀션을 분무건조하였다. 피커링 에멀션의 표면을 키토산으로 성형하고 부형제로 말토덱스트린과 아라비아검을 사용하여 에멀션 분말의 이화학 특성과 포집 효율을 조절하였다. 나아가 소화 과정 중 에멀션의 이화학 특성 및 형상 변화와 장 표면 부착성을 확인하였다. 피커링 에멀션 제조 시 분리유청단백(1wt%)으로 기름(10 wt%)과 물의 계면을 안정화 하였고, 피커링 에멀션의 표면에 0.4 wt%의 키토산을 전기적으로 흡착시켰다. 말토덱스트린과 아라비아검을 20 wt%를 혼합하여 분무건조한 에멀션 분말의 포집 효율은 부형제의 함량이 높을수록 증가하였다. 피커링 에멀션에 키토산을 코팅한 경우 포집 효율은 약 20% 향상되어 95% 이상의 포집 효율을 지녔으며, 수분함량과 수분활성도가 감소하였다. 한편, 피커링 에멀션을 키토산으로 코팅하면 분무건조 후 재분산 입자 크기가 급격히 증가하였는데, 분무건조 시 아라비아검을 사용하면 재분산성을 향상시킬 수 있었다. 키토산 코팅은 분무건조한 피커링 에멀션의 소화 중 기름의 융합을 방지할 수 있었으며, 피커링 에멀션 분말은 부형제의 유형에 상관없이 키토산의 양전하에 의해 강한 점막 부착성을 나타냈다. 요컨대, 이 결과들은 본 연구에서 개발된 분무건조 피커링 에멀션이 지용성 물질 및 건강기능성물질의 운반체로서 식품산업에 활용될 수 있다는 것을 시사하며, 본 연구는 지용성 물질을 이용하여 다양한 유형의 식품용 운반체를 개발하려는 연구에 기초 자료를 제공할 수 있을 것이다.