오일 나노 캡슐화:개발, 적용 및 식품 시장으로의 통합

소개

오일은 인간의 영양에 중요한 역할을 합니다. 칼로리를 제공하는 것 외에도 오일은 A, D, E, K와 같은 지용성 비타민의 운반체 역할을 합니다. 오일은 또한 리놀레산, 리놀렌산 및 아라키돈산과 같은 필수 지방산의 공급원이며 음식의 기호성까지. 가장 대표적인 오일 성분은 트리글리세리드이며 이러한 트리글리세리드의 물리적 특성은 현재 지방산의 구조와 분포에 따라 다릅니다[1,2,3,4].

석유 생산의 약 90%는 종자 가공에서 파생된 식물성 기원이며 식용으로 사용됩니다. 업계에서는 특히 케이크, 비스킷, 빵, 마가린 및 유제품과 같은 제품의 제형화를 위한 식품 응용과 튀긴 제품에 사용하기 위한 식품 응용 분야에서 다양한 천연 공급원의 오일에 대한 시장 수요가 증가했습니다. 다른 응용 프로그램 중에서 [5, 6].

석유 생산량의 나머지 10%는 동물 사료 생산 및 살균제, 비누, 세제, 비누, 생분해성 유연제, 화장품, 바이오디젤 제조용 원료와 같은 여러 산업 공정에 사용됩니다[5].

식용유의 영양학적, 경제적 중요성을 고려할 때, 최근 몇 년 동안 이러한 식용유의 개질 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 개질 기술은 오일의 특성을 변경하고 특정 용도에 적합하게 만들기 위해 점점 더 연구되어 왔습니다. 연구원들은 식품의 품질과 안전성을 향상시키기 위한 다양한 기술을 발견했습니다. 식품 산업에서 나노기술의 참여는 더 나은 열 안정성, 더 나은 용해도 및 새롭고 더 높은 수준의 경구 생체 이용률을 갖는 식품 생산으로 이어졌습니다[7].

나노기술은 식품의 유통 기한을 늘리고, 오염 물질 추적 및 추적 방법을 개선하고, 식품 저장 전략을 개선하고, 건강 보조제 또는 항균제를 식품에 통합함으로써 식품 과학 분야에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 제안되었습니다. 따라서 나노기술은 실제로 식품 과학에 크게 기여합니다[7].

나노기술은 기존의 식품 과학과 식품 산업에 혁명을 일으킬 가장 유망한 기술 중 하나가 되었습니다. 나노기술을 이용한 가공 및 포장은 식품 시스템에서 나노기술의 중요성을 입증했습니다. 다른 준비 기술은 다른 물리적 특성을 가진 나노 입자를 생산할 수 있습니다. 따라서 이러한 입자는 식품에 사용될 수 있습니다[8, 9].

캡슐화는 생물 활성 지질 방울이 크러스트에 의해 회수되거나 이질적 또는 균질한 매트릭스에 둘러싸여 크기가 1000nm(나노미터는 10억분의 1m)인 나노 스케일[10]의 작은 캡슐[3]을 생성하는 과정입니다. 11]; 캡슐화에는 많은 유용한 속성이 있습니다[3]. Gonnet et al.에 따르면 [12], 캡슐화는 시간이 지남에 따라 천연/천연 오일 특성을 보존하는 잠재적인 접근 방식입니다. 나노 또는 마이크로 캡슐화로 개발된 기존 시스템은 저장소 또는 매트릭스 입자를 기반으로 합니다.

그 이점 외에도 나노캡슐화는 캡슐화된 활성 물질의 생체이용률을 높이고 화학적 효과[13, 14], 효소적 효과 및 기능성 물질의 처리 중에 나타나는 물리적 불안정성과 같은 자연적 및 가공적 효과로부터 보호하는 것이 특징입니다. , 기능 식품 [13], 제약 및 화장품 [3] 제품 [10]. 캡슐화는 또한 활성 성분의 전달 및 저장 수명 제어와 같은 생물학적 효율성을 개선하는 수단을 나타내며 부작용의 출현을 예방할 수 있습니다[12].

오일 캡슐화는 이러한 시스템이 산소, 자유 라디칼 또는 자외선(UV)[12, 15]과 같은 산화촉진 요소에 대한 물리적-화학적 장벽을 구성할 수 있으며 농축 목적. 예를 들어, 생리활성 오일 캡슐화는 오일 방출의 수정, 환경 산화 반응으로부터의 보호, 물리적 안정성의 증가, 휘발성의 감소, 독성의 감소, 생물학적 활성의 향상 및 환자 순응도 및 편의성 향상 [3]. 특히, 식품 산업에서 이 기술은 풍미 유지, 항산화, 저장 수명, 색상 및 이취와 같은 가공 식품 품질을 향상시킵니다. 식품 저장 시간을 연장합니다. 환경으로부터 성분을 보호하고 보존 중 풍미 손실을 줄이고 생리 활성 물질의 방출을 제어합니다[16].

캡슐화에는 많은 기술이 적용됩니다. 일반적으로 생물 활성제의 캡슐화에는 세 가지 방법이 사용됩니다. (a) 캡슐화된 약제 주위에 장벽 구조가 생성됩니다. (b) 오염된 물질은 입국이 거부됩니다. (c) 캡슐화된 약제는 원하지 않는 손상으로부터 보호하기 위해 배치됩니다[17].

많은 경우에, 나노캡슐화는 유상 및 수상으로 형성된 시스템인 나노에멀젼의 생산으로 시작됩니다. 나노 캡슐화는 대부분의 경우 유화제를 사용하여 유화됩니다. 또한, 나노에멀젼은 작은 입자 크기와 높은 표면적을 가지고 형성됩니다[18]. 이러한 특성은 우수한 물리적 안정성 및 높은 생체이용률과 같은 기존 에멀젼에 비해 잠재적인 이점을 부여합니다[19]. 오일 나노에멀젼 및 오일 나노캡슐화를 얻기 위해 연구된 일부 기술에는 나노침전, 분무 건조, 이온 겔화, 미리 형성된 중합체의 계면 침착, 유화-확산, 유화-용매 증발, 리포솜 사용, 고전단 균질화(미세 유동화), 자발적 유화가 포함됩니다. , 및 나노구조 지질 운반체(NLC).

이 연구의 목적은 식품 산업에서 오일 캡슐화의 잠재력과 현재 응용을 조사하고 혁신의 주요 이점과 기회를 설명하고 식품 시장의 현재 제품 및 특허 출원을 포함하여 미래의 과제를 고려하는 것입니다. 새로운 나노캡슐화된 오일 제품과 특허 출원은 다양한 산업 분야에서 오일의 사용에 대한 약속을 제공합니다. 더욱이, 마이크로 및 나노캡슐화는 (a) 핵심 물질의 증발 또는 외부 환경으로의 이동 속도의 감소를 촉진할 수 있습니다. (b) 외부 환경에 대한 반응성 감소에 의한 열화로부터 코어 재료 보호; (c) 시간이 지남에 따라 천천히 또는 특정 시간에 코어 물질 방출 속도의 제어; (d) 더 쉽게 취급할 수 있도록 원래 재료의 물리적 특성을 수정합니다. (e) 코어 물질의 원치 않는 향미 또는 맛의 마스킹; (f) 그렇지 않으면 서로 반응할 혼합물 성분의 분리; 및 (g) 호스트 재료에서 균일한 분산을 달성하기 위해 소량만 필요한 경우 코어 재료의 희석 [17].

콜로이드 나노입자의 일반 나노캡슐화

나노입자 및 기타 나노구조체의 합성은 광학적, 기계적, 화학적 성질과 같은 성질이 벌크 물질과 상당히 다른 크기, 기하학적 구조 및 성분에 크게 의존하기 때문에 최근 몇 년 동안 상당한 주목을 받고 있다. 20, 21].

나노 입자는 콜로이드 입자입니다. 광학적 투명도를 달성하기에 충분히 작은 입자를 가진 콜로이드 전달 시스템의 가장 일반적인 두 가지 유형은 마이크로에멀젼과 나노에멀젼입니다. 두 시스템 모두 작은 입자(d <200nm). 마이크로에멀젼에 비해 나노에멀젼의 주요 장점 중 하나는 나노에멀젼을 형성하는 데 훨씬 적은 계면활성제가 필요하다는 것입니다. 식품 등급 나노에멀젼은 고에너지 방법(예:고압 균질화 또는 초음파 처리) 또는 저에너지 방법(예:상 반전 온도, 자발적 유화 또는 에멀젼 상 반전)에 의해 형성될 수 있습니다[22].

콜로이드 입자는 금속[20], 생물의학[23], 의료[24], 센서[25], 광학[25], 향료, 음료, 구충제, 향수 및 화장품과 같은 다양한 제안을 위해 생산될 수 있습니다. 의약 특성[26], 식품[22]에 사용되며 다양한 목적을 위해 에센셜 오일(EO)에 사용됩니다[27, 28].

에멀젼을 포함한 콜로이드 전달 시스템은 시스템의 산화 안정성을 개선하기 위해 수성 환경에 다가불포화 지방산(PUFA)을 통합하도록 설계할 수 있습니다. 이러한 에멀젼 기반 전달 시스템의 대부분은 크기가 빛의 파장과 유사한 입자를 포함하므로 빛을 강하게 산란시켜 높은 탁도 또는 불투명도를 유발합니다. 특정 응용 분야의 경우 투명 전달 시스템을 사용하여 강화된 물, 청량 음료 및 드레싱과 같은 광학적으로 투명한 식품 또는 음료 제품에 통합할 수 있도록 하는 것이 유리합니다[22].

청량 음료와 관련하여 Ziani et al. [29] 레몬 오일, 비이온성 계면활성제(Tween 80) 및 완충액(pH 2.6)을 포함하는 콜로이드 분산액을 형성했습니다. 이 연구는 식품 및 음료에 풍미 오일 및 기타 기능성 지질을 캡슐화하기 위한 식품 등급 콜로이드 전달 시스템의 합리적인 설계에 유용한 정보를 제공합니다.

고체 지질 나노입자(SLN)는 마이크로캡슐과 앞서 언급한 나노규모 콜로이드 담체 시스템의 결핍을 극복할 수 있는 능력 때문에 제약 및 식품 산업에서 주목을 받고 있습니다. SLN은 장 벽을 통한 활성 화합물의 높은 투과성과 관련된 높은 용해 속도의 모 액체 나노에멀젼 또는 마이크로에멀젼의 이점을 결합한 최신 세대의 나노 규모 캡슐화 시스템이며 물리적 및 캡슐화된 화합물의 화학적 안정성 및 취급 용이성 [30].

고체 입자 매트릭스가 있는 지질 나노입자는 액체 지질(오일)을 고체 지질로 대체하여 O/W(오일/물) 에멀젼에서 파생됩니다. 이러한 지질은 일반적으로 독성이 낮은 생리학적 지질(생체적합성)입니다[3]. SLN은 실온 및 체온에서 고체인 지질로 구성됩니다. SLN의 주요 장점은 높은 캡슐화 효율성, 대규모 생산 가능성, 고체 매트릭스로 인한 제어 방출 프로파일의 유연성 및 표적 기관에 도달하는 높은 능력입니다. 그러나 SLN은 결정화될 수 있어 오일을 포함할 수 있는 매우 작은 공간을 허용하므로 적재 용량이 낮습니다[31]. 지질 나노입자의 직경은 50nm에서 1μm 사이일 수 있습니다[3]. SLN은 캡슐화 부하가 낮고 보관 중 폭발 가능성이 있습니다[31].

폴리(ε-카프로락톤)(PCL)을 벽 재료로 사용하여 쌀겨 오일 나노캡슐을 합성하여 마우스에서 UVB 방사선으로 인한 피부 손상에 대한 보호 효과를 평가했으며, 저자는 쌀겨 나노캡슐(200nm, 잠재적 제타:- 9mV 및 <0.2)의 낮은 다분산 지수(PDI)는 UVB 조사에 의해 유발된 부종의 60%를 억제했습니다[32].

Oehlkeet al. [33] 페룰산(FA)과 토코페롤(Toc)로 SLN을 준비했습니다. 최대 2.8mg g ⁻¹ 을 포함하는 다양한 제형 FA 또는 Toc는 실온에서 최소 15주 보관 동안 안정적이었습니다. 저자들은 이러한 SLN이 활성 화합물의 점진적인 방출이 도움이 될 수 있는 식품 첨가물로 적합하다고 결론지었습니다.

오일 나노캡슐화 동향

지난 20년 동안의 많은 간행물에는 나노캡슐화, 나노에멀젼, 나노입자 및 나노기술이라는 4가지 용어가 포함되어 있습니다(그림 1). 그러나 2000년대 이전에는 1990년대 후반에 시작된 석유 및 식품 응용 연구와 관련하여 이 네 가지 용어를 포함하는 기사가 조사된 간행물의 2% 미만을 구성하여 이 주제를 나노기술의 작은 분야로 만들었습니다(그림 1). <그림>

다음 키워드를 사용하여 Scopus 데이터베이스에 연간 나노캡슐화, 나노에멀젼, 나노입자 및 나노기술 출판물 수:a 나노캡슐화, 나노에멀젼, 나노입자 및 나노기술; ㄴ 나노캡슐화 및 오일, 나노에멀젼 및 오일, 나노입자 및 오일, 나노기술 및 오일; 및 c 나노캡슐화 및 식품 및 오일, 나노에멀젼 및 식품 및 오일, 나노입자 및 식품 및 오일, 나노기술 및 식품 및 오일

나노기술이라는 용어는 많은 출판물에서 보다 일반적인 용어로 사용되었습니다(그림 2). 이러한 용어와 "오일"의 조합을 사용할 때(그림 1b) "나노입자"라는 용어와 관련된 출판물의 증가가 관찰됩니다. 2010년 이후 일반 분야나 식품 관련 분야에서 "나노에멀젼" 및 "오일"과 관련된 출판물 수가 크게 증가했습니다(그림 1b).

오일에 일반적으로 사용되는 나노캡슐화 정의 체계

"나노 입자" 및 "나노 기술"(그림 1a)과 관련된 훨씬 더 많은 간행물이 있지만 캡슐화는 물질을 마이크로 및 나노 입자로 포장하는 것을 설명하는 데 사용되는 가장 적절한 용어이며 하나의 물질을 포함하는 프로세스로 정의됩니다. "벽 재료"[34,35,36]라고 하는 다른 제품 내에서 "활성제"로 사용됩니다.

오일 나노 캡슐화에 대한 대부분의 간행물은 "나노 캡슐화"[2, 37,38,39,40,41,42] 또는 "나노에멀젼"[10, 43,44,45,46,47,48]이라는 용어를 사용합니다. 일부 저자는 "나노 캡슐"[49,50,51]이라는 용어를 사용하고 다른 저자는 "나노 입자"[35, 41]를 사용합니다. 그러나 두 용어 모두 원래 "나노캡슐화"를 의미하며(그림 2), 나노캡슐과 나노입자 형성을 모두 포함하는 가장 넓은 의미로 사용되었습니다[52].

"나노입자"라는 용어는 나노구체와 나노캡슐 모두를 통칭하는 이름입니다[17]. 나노캡슐은 활성 화합물이 고분자막으로 둘러싸인 내부 액체 코어로 구성된 공동에 국한된 액체 핵이 있는 고분자막을 가지고 있습니다(코어 쉘 구조는 친유성 또는 친수성일 수 있음) [3, 17]. 다른 한편으로, 나노구는 생리활성 퇴비가 확산되고, 포획되고, 캡슐화되고, 중합체 매트릭스에 화학적으로 연결되거나 흡착되는 고체 콜로이드 단편으로 정의될 수 있습니다. 폴리머 매트릭스는 다공성 또는 고체 매트릭스를 형성하고 코어는 아마도 코폴리머 구조에 의존하여 고체 물질로 변할 수 있습니다[3, 53]. 나노 입자는 일반적으로 면역학적 상호 작용을 줄이고 입자 표면의 화학 그룹의 분자 상호 작용(반 데르 발스, 수소 결합 또는 소수성 상호 작용)을 줄이기 위해 비이온성 계면 활성제로 코팅됩니다. 나노 입자의 세포 내 흡수는 다른 캡슐화 시스템의 세포 내 흡수보다 높습니다. 적용된 방법론에 따르면, 나노캡슐은 고분자 내막에 보유된 활성 물질에 대한 매개체 역할을 할 수 있습니다. 이러한 시스템에서 방출된 오일은 탈착, 확산 또는 침식에 의해 나노입자에서 표적 조직으로 수송될 수 있습니다[3].

나노에멀젼은 유성상과 수성상으로 구성된 시스템인 나노캡슐화의 시작이며 유화제를 사용하여 이러한 상을 유화시킵니다. 또한, 나노에멀젼은 작은 방울 크기와 높은 표면적을 가지고 형성됩니다[10, 18, 37, 54]. 이러한 특성은 우수한 물리적 안정성 및 더 높은 생체이용률과 같은 기존 에멀젼에 비해 잠재적인 이점을 부여합니다[10, 19].

최초의 나노기술 정의는 1959년 저명한 물리학자인 Richard Feynman이 바닥에 공간이 많습니다라는 연설에서 논의되었습니다. , 그는 직접 원자 조작을 통한 합성의 가능성을 설명했습니다. "나노기술"은 1974년에 Norio Taniguchi에 의해 처음 사용되었습니다. 나노기술은 1980년대에 한 분야로 등장했으며, 이때부터 이 분야에 대한 과학 출판물과 인지도가 높아졌습니다. 이 분야에 대한 연구는 2000년대에 강화되었고(그림 1), 과학적, 정치적, 상업적 관심이 높아져 논란과 진전이 있었습니다. 또한 나노기술의 발전을 기반으로 한 제품의 상용화가 본격화되기 시작하였다[55].

나노기술은 광범위한 재료, 공정 및 응용 분야를 포괄하며 화학, 물리, 생물학, 전자 및 공학 과학을 포괄하는 다학문 분야입니다. 거의 1~100nm 사이의 나노 스케일 범위에서 물질의 제조, 특성화 및 실험에 중점을 둡니다. 성장 표면적과 관련하여 최소 입자 크기는 독특하고 새로운 특성을 나타내며 기술 사용에 대한 막대한 잠재력을 창출합니다[55,56,57].

나노 기술은 열 및 저장 안정성, 수용성 및 생리 활성 물질에 대한 전략을 발전시키고 식품 사용을 위한 생체 이용률을 증가시키며 맛, 질감, 산업 공정 및 착색 강도와 같은 식품의 거시적 특성을 향상시킬 수 있습니다[58]. 주요 식품 회사는 자체 연구 부서를 활용하여 기능성 식품에 나노 기술을 적용하기 위한 전략을 설계했습니다[59].

오일 나노캡슐화 응용 프로그램의 현재 상태

식품 분야의 성장은 그림 1b, c에서 "식품" 및 "오일" 및 "나노 캡슐화", "나노에멀젼", "나노 입자" 또는 "나노기술"이라는 키워드를 초록에 포함하는 출판물의 총 수로 정량화됩니다.; 정보는 발행 연도의 함수로 표시됩니다. <그림 1>에서 보는 바와 같이 식품나노기술 분야의 성장은 90년대 후반의 수많은 나노기술 연구와 나노입자 공정에 적합한 식품용 첨가제의 성장으로 2010년 이후 가장 많이 성장하였다. 산업 오일 나노 캡슐화 응용 프로그램은 표 1에 요약되어 있습니다.

현재 식품 산업의 나노기술 제품 가치는 미화 10억 달러(대부분 건강 증진 제품, 포장 기술 및 초안을 위한 나노입자 코팅으로 구성됨)에 도달하고 있으며 향후 10년 동안 미화 200억 달러 이상 증가할 가능성이 있습니다. . 많은 리뷰에서 식품 나노 기술 분야를 선도해 온 연구 그룹과 민간 및 공공 기관에 대한 훌륭한 요약을 보여줍니다[11, 13, 60].

많은 리뷰[11, 13, 55, 60, 61]가 식품 나노기술 투자와 1차 생산을 위한 나노기술의 새로운 응용에 대해 논의했지만 캡슐화 재료로 오일을 고려할 때 오일 나노캡슐화를 다루는 리뷰는 없습니다. 또한, 나노기술의 응용에 대한 많은 리뷰[13, 53, 55, 61,62,63,64,65,66,67,68]가 있으며, 대부분이 식품 응용에서의 나노기술에 초점을 맞추고 있다[13, 52, 55, 61,62,63,64,65,66,67,68].

식품 산업에서 미세 캡슐화 공정은 Desai와 Park[4]에 의해 다음과 같이 요약된 다양한 이유로 사용될 수 있습니다. (b) 주요 재료의 증발 또는 외부 환경으로의 이동 속도가 감소합니다. (c) 보다 쉽게 ​​취급할 수 있도록 원본 재료의 물리적 특성을 수정합니다. (d) 코어 물질의 방출은 시간이 지남에 따라 또는 특정 시간에 천천히 발생하도록 조정됩니다. (e) 핵심 재료의 원치 않는 풍미 또는 맛이 가려집니다. (f) 키퍼 재료의 균등한 분산이 달성됩니다. (g) 그렇지 않으면 서로 반응할 혼합물 성분이 분리됩니다. 이러한 응용 프로그램은 오일 나노 캡슐화에도 적합합니다. Ricaurte et al. [10] 및 Campo et al. [37]은 고올레산 팜유(HOPO)와 치아씨유를 다른 목적으로 연구했습니다. 첫 번째 연구는 HOPO에서 얻은 나노에멀젼에 대해 가장 유리한 미세유동화, 형성 및 보관 조건을 찾는 것을 목표로 했으며 두 번째 연구에서는 지질 산화로부터 오일을 보호하고 용해도와 안정성을 개선하기 위한 대안을 약속했습니다(표 1).

Cushen et al. [9] 식품 마이크로캡슐화가 잘 확립되어 있다는 위의 주장을 확인합니다. 마이크로캡슐화된 어유는 기능적 건강상의 이점을 위해 빵에 적용되었습니다. 미세 캡슐화 공정은 생선 기름의 불쾌한 맛을 가립니다. 이 빵은 이미 시장에서 실현 가능합니다. 식품 산업에서 나노캡슐화 및 화합물 추가는 기술의 논리적 진행입니다[2, 68]. 또한 지방, 유지 및 지질계 식품의 주요 열화 과정인 산화 반응은 영양가 및 관능 품질을 저하시키며, 오일 나노 캡슐화는 나노 캡슐화 과정에서 형성되는 보호 장벽 형성을 통해 산화 감소를 촉진합니다. 이전에 언급된 [2].

그들의 검토에서 Walker, et al. [47]은 오메가-3 지방산의 캡슐화, 보안 및 방출을 위해 나노에멀젼을 사용할 가능성을 강조했습니다. 이러한 운반 시스템은 식품 산업에서 이러한 생리 활성 지질을 함유한 음료 및 식품을 강화하는 데 사용할 수 있으며, 보충제 또는 제약 산업에서 기능성 오메가-3 지방산 조성물의 생체 활성을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다.

Sozer와 Kokini[67]는 식품 및 식품 포장 산업에서 나노 기술 사용을 단순화했습니다. 식품의 이점에는 산화 방지가 포함됩니다. 캡슐화된 성분의 제어 방출(수분 또는 pH); 시험 위장; 나노캡슐화된 영양 물질, 비타민 및 향료의 전달; 식품 시스템에서 병원체 검출; 식품 안전; 및 품질 분석. 일부 식품 포장 응용 분야에는 개선된 포장(가스 및 수분 장벽, 인장 강도)이 포함되었습니다. 활성 포장, 나노첨가제, 지능형 포장, 기능식품 전달 및 제어 방출을 통한 저장 수명 연장; 자체 청소 포장의 항균 효과; 운송 중 제품 상태 모니터링. 식품 포장의 응용은 식품의 안전성과 품질을 향상시킬 수 있기 때문에 매우 유망한 것으로 간주됩니다. 이러한 응용 프로그램에는 식품과 상호 작용할 수 있는 지능형 포장이 포함됩니다. 그러나 식품 산업에서 오일 나노 캡슐화 응용 프로그램에는 일반적으로 어유가 사용되며 나노 캡슐화의 목적은 주로 식품 강화를 위해 지질 산화로부터 오일을 보호하는 것입니다[34, 38, 40].

보시다시피, 어유는 마이크로 및 나노 캡슐화 모두에서 가장 많이 사용되는 오일입니다. 불포화 및 PUFA의 공급원입니다. 인간은 대부분의 지방산을 생산할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 인간의 영양에 필수적인 오메가-6(n-6) 및 오메가-3(n-3) 지방산은 인체에서 합성할 수 없습니다. 따라서 인간은 음식에서 그것들을 얻어야 합니다. PUFA를 포함한 식물성 기름(식용유지)의 섭취는 심혈관계 질환이나 신경계 질환과 같은 만성질환의 발병률이 낮고 암 발병률이 감소하는 것과 관련이 있다[3, 69].

생리활성 오일은 일반적으로 영양학적 특성으로 사용되지만 사용과 관련된 주요 문제 중 하나는 보관 중 활성 성분의 손실입니다[70]. 이는 생리활성 오일이 PUFA 및 산소, 수분, 열 및 빛에 민감한 기타 물질(크산토필, 스테롤, 카로티노이드, 모노테르펜, 플라보놀 등)을 포함하기 때문에 발생합니다[71]. 산화된 오일에서 형성되는 생성물에는 수많은 자유 라디칼 종, 지질 하이드로퍼옥사이드와 같은 1차 산화 생성물 및 탄화수소, 알데히드, 에폭사이드 및 케톤과 같은 2차 산화 생성물이 포함됩니다. 이러한 제품 중 일부는 생물학적 조직에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다[72]. 이러한 산화로 인해 오일의 특성과 영양가가 손실되고 불쾌한 맛과 냄새가 발생합니다[3].

이 오일의 다른 활성 화합물은 항산화, 항염, 항바이러스, 항균, 항암 및/또는 조직 재생 특성을 나타낼 수 있습니다[73]. 오일의 폴리페놀과 토코페롤은 중요한 항산화 활성을 나타냅니다. 따라서 항산화제의 특성과 조성은 오일의 종류에 따라 다릅니다. 따라서 올리브, 해바라기, 아르간, 포도씨 오일에는 항산화 화합물이 많이 함유되어 있습니다[72]. 또한 스테롤, 카로티노이드, 크산토필, 플라보놀 및 모노테르펜과 같은 불안정한 화합물의 존재도 오일의 영양가와 건강 특성에 기여합니다[3].

또한 EO는 생물학적 활성 물질의 혼합물로 구성된 일반적인 식물 제품이며 잠재적으로 생리 활성 화합물과 새로운 분자 템플릿을 제공합니다[74, 75]. EO는 항진균, 항균, 항산화, 항염, 항바이러스, 항암 활성을 갖는 휘발성 2차 대사산물로 구성된다[76]. EO 효율은 화학적 구성, 유전자형, 환경 및 농업 조건에 따라 다릅니다[77]. 이러한 오일의 예로는 백리향, 라벤더, 페퍼민트, 계피, 티트리, 로즈마리, 유칼립투스, 레몬그라스 오일 및 기타 오일이 있습니다. 이러한 오일은 항균 특성을 나타내는 것으로 나타났지만 산화에 매우 취약합니다[15, 27, 78].

EO는 식품 매개 병원체의 성장 억제에 사용하기에 적합한 것으로 간주되는 천연 생리활성 분자로 분류됩니다. 그러나 식품에 EO를 직접 통합하는 것은 일부 EO 구성성분의 높은 휘발성, 수성 제형에 EO를 통합하는 어려움, 식품의 관능적 특성의 급격한 변화 가능성으로 인해 기술적인 문제를 제시합니다. 항균 활성을 나타내는 성분 중 오레가노, 카르바크롤, 티몰, γ-테르피넨이 식품에 사용되었습니다.

일부 에센셜 오일은 육류, 닭고기 및 과일 주스와 같은 식품의 미생물, 감각 및 화학적 품질을 개선하는 데 사용되었습니다[28, 79,80,81]. Ghaderi-Ghahfarokhi et al. 나노캡슐화된 타임 에센셜 오일을 비프 버거에 사용했습니다. 그들은 캡슐화 과정이 타임 에센셜 오일의 저장 수명을 개선하고 저장 초기에 활성 화합물의 기화를 최소화한다는 것을 관찰했습니다. 또한, 타임 에센셜 오일을 저장하는 동안 천천히 방출하면 냉장 보관이 끝날 때까지 오일의 항산화 및 항균 활성을 유지하거나 증가시킬 수 있습니다. 또한, 대조군에 비해 버거의 발적 및 옥시미오글로빈 함량에 긍정적인 변화가 있었고, 프리타임 에센셜 오일은 쇠고기 버거의 기호도 및 관능적 품질을 향상시켰다.

식품의 에센셜 오일을 천연 방부제로 사용하여 식품의 안전성과 품질을 향상시키고 유해한 합성 식품 방부제를 대체한다는 연구가 있습니다[49, 82]. Herculanoet al. [82] 캡슐화된 유칼립투스 및 로딩된 나노입자의 Listeria monocytogenes에 대한 항균 작용 결정 및 살모넬라 엔테리티디스 박테리아. 저자들은 나노캡슐화된 오일이 S . 장염; 이 나노 입자는 자연 보존을 위한 식품에 사용될 수 있습니다.

구조가 아라비아검과 유사한 캐슈검(CG)은 Anacardium occidentale의 삼출물에서 추출한 헤테로다당류입니다. , 브라질 북동부 지역에서 흔히 볼 수 있는 나무. 캐슈 껌은 물과 상호 작용할 수 있으므로 안정제, 유화제 및 접착제 역할을 할 수 있으며 더 비싼 아라비아 검의 좋은 대용품이 될 수 있습니다. CG는 Herculano 등에 의해 사용되었습니다. [82] Eucalyptus staigeriana를 캡슐화하기 위해 에센셜 오일(ESO) 및 제형으로부터 캡슐의 직경(nm) 및 제타 전위(mV)는 각각 F1:153.80 ± 8.20 및 - 24.50 ± 0.45; F2:27.70 ± 3.42; - 14.47 ± 1.42 및 F3:432.67 ± 41.47; − 10.45 ± 0.21. 이러한 제형은 F1:CG:ESO =2:1; ESO:트윈 80 =2:1; F2:CG:ESO =4:1; ESO:트윈 80 =2:1; F3:CG:ESO =2:1; ESO:트윈 80 =1:1. F1 및 F2 샘플은 단봉 분포를 보인 반면, F3은 양봉 분포(나노 및 미세 입자)를 나타냅니다.

Nanoencapsulation Methods Applied in Different Oils

In this review, 11 studies that used nanoencapsulated oils in the food industry were analyzed [10, 16, 35, 37, 38, 83,84,85,86,87], and 1 figure, Fig. 3 was made that describes the technologies, nanoencapsulated oils, and wall materials used. Generally, there are many methodologies for the production of nanocapsules containing oils, such as emulsion-diffusion [16, 38, 85], emulsification-solvent evaporation [83], high-shear emulsification [10, 87], spontaneous emulsification [84, 88], homogenization [37], spray drying [35], and the emulsion supercritical fluid extraction process [86] (Fig. 3a). In general, the techniques are similar, with some particular similarities between each of them.

Proposal and techniques (a ), employed oils (b ), and wall materials (c ) of some studies using oil nanoencapsulation in food

In emulsion-diffusion, an emulsion is produced after a dilution causes the deposition of a polymer around the droplets, whereas in emulsification-solvent evaporation, an emulsion is formed with a polymer solution and an aqueous phase. The solvent is evaporated at the end of both techniques. High-shear homogenization, or microfluidization, is a kind of high-energy emulsification which uses microfluidizers to create mechanical shear. This equipment works by dividing a liquid jet into two parts. Every part passes through a narrow opening. Normally, emulsions with a diameter greater than 1 μm are first formed by other methods, after which their sizes are then reduced in a microfluidizer [3].

Spontaneous emulsification, or low-energy emulsification or self-emulsification, is a process which depends on different variables:interfacial and bulk viscosity, interfacial tension, phase transition region, and surfactant structure and concentration because the emulsion is formed spontaneously as a result of the low interfacial tension from high surfactant levels. In the homogenization (nonspecific name) technique, the emulsion is composed of an organic phase, which has a surfactant, organic solvent and oil, and of an aqueous phase, which is composed of water and a polymer. The organic phase is added dropwise to an aqueous solution. Then, the solvent is removed by a vacuum process [37].

The spray dryer technique is based on dissolving or dispersing the active ingredient in a biopolymer solution. Then, the dispersion is atomized in a heated air chamber that rapidly removes the solvent and produces a dried particle consisting of the active ingredient embedded in a porous wall material [31]. The supercritical fluid extraction of emulsions (SFEE) technique is based on the use of supercritical carbon dioxide (CO₂ ) to rapidly extract the organic solvent from an oil-in-water emulsion, in which a bioactive compound and its coating polymer have been previously dissolved. By removing the solvent, both compounds precipitate, generating a suspension of particles in water [86].

In addition to that in oil microencapsulation, the oil usually used in nanoencapsulation is fish oil [16, 35, 38, 86] (Fig. 3b). However, sunflower oil [85], roasted coffee oil [83], HOPO [10], thyme oil [87], garlic essential oil [84], rice bran oil [88], and chia oil [37] are also used (Fig. 3b).

Oil nanocapsules have been produced with the application of different wall materials (Fig. 3c), depending on the usage and kind of oil to be nanoencapsulated. Unlike oil microencapsulation, oil nanoencapsulation does not usually involve wall material mixtures. Usually, the wall material is used alone because the particles formed must have a size of 1000 nm, and, as there is a larger contact surface, the fewer the compounds in the nanocapsule formulation the better the interaction is among the compounds, ultimately favoring the particle size.

The wall materials most used in the techniques are biodegradable polymers. Some usual wall materials used in oil nanoencapsulation are polycaprolactone [16, 38, 86, 88], whey protein [10, 35], sodium caseinate [87], chia seed mucilage [37], maltodextrin, or modified starch [35] (Fig. 3c). Some authors did not report the wall material used in their study [88], probably because of the spontaneous emulsification technique that was employed.

Wall material is chosen according to the size of the required nanoparticles, aqueous solubility and stability, and other factors. Among polymers, most of the wall material utilized is poly(ε-caprolactone) (PCL). PCL is a polymer obtained through the ring-opening polymerization of the cyclic monomer Ɛ-caprolactone utilizing cationic or anionic, coordination, or the radical catalysts mechanism. This polymer is semicrystalline, and its crystallinity is directly associated with its molecular weight. It is soluble in inorganic solvents and has a good blend compatibility that provides a transformation of chemical properties, such as solubility and porosity, and it presents a low melting point (59–64 °C). Furthermore, PCL is a synthetic, biocompatible, and fully biodegradable polymer that has a semi crystalline nature (glass transition temperature of 213 K). It is approved for drug delivery by the Food and Drug Administration (FDA). Due to its slow degradation, PCL is ideally suited for long-term delivery or when a targeted delivery to the intestinal tract is intended. PCL has a high hydrophobicity, high in vitro stability, and low cost [87]. Usually, PCL is utilized in the emulsion-diffusion method and supercritical fluid extraction of emulsions, especially for fish oil encapsulation [16, 86].

Whey protein may also be applied to nanoencapsulate bioactive compounds such as oils because of its functional characteristics, such as its surface activity, gelation, shielding, and protective properties, e.g., biocompatibility and biodegradability [58]. Ricaurte et al. [10] applied HOPO and obtained nanocapsules with whey protein from microfluidization, confirming that this methodology was able to create stable nanocapsules with a diameter of 163 nm.

After synthesis, the basic characterization of the oil nanoparticles is determined by important parameters, such as the size, polydispersity index (PDI), and zeta potential. The size and size dispersion of nanocapsules are important because of their ability to transform the physicochemical and pharmaceutical behaviors of the encapsulated ingredients [58].

Nanoparticle size, also named the mean diameter or z-average, may be established by several methods, such via laser diffraction (LD) and a Coulter counter; however, the most applied technique is dynamic light scattering (DLS) [58, 89], which allows the description of particle size distribution and destabilization phenomena. Nevertheless, it is not very precise when used with large size differences; it is noted that particles larger than 1 μm will be subject to gravitational movement in addition to Brownian motion, which makes this technique suitable for the characterization of particles only < 1 μm.

For nanoencapsulated oils, the diameter size is usually between 100 and 1000 nm [10, 16, 35, 37, 38, 83, 85, 87] or less than 100 nm [84, 86,87,88]. Diameters larger than 1000 nm were found by Ricaurte et al. [10]; those authors reported diameters between 163 and 2268 nm using the microfluidization method and whey protein as a wall material in the nanoencapsulation of HOPO.

Size dispersion is indicated as the PDI, an index that describes the particles uniformity in suspension; PDI values between 0.1 and 0.25 [10, 38, 87, 88] indicate a small size distribution, and PDI values higher than 0.5 indicate a broad distribution [50]. Although some authors, such as Choi et al. [16], Campo et al. [37], and Jafari et al. [35], did not report PDI, it is a good parameter for characterizing nanoparticles when used with particle size and zeta potential. Campo et al. [37] did not perform PDI analysis, but they found a bimodal figure in one of the diameter size results, suggesting the presence of nano and microparticles; if PDI was performed, the values would likely be greater than 0.25.

Zeta potential is a physical characteristic that is shown by particles in suspension, macromolecules, or substance surfaces; it corresponds to the nanoparticle’s electrical potential, as influenced by the nanocapsule ingredients and the medium in which they are distributed. This parameter is widely applied to indicate suspension stability in colloidal dispersions, where zeta potential values higher than 30 mV and lower than − 30 mV promote high stability and prevent particles aggregation [90]. The majority of the studies examined here obtained results between these values (30 mV and − 30 mV) [10, 37, 38, 84, 85]. Some authors, such as Choi et al. [16], Freiberger et al. [83], Bernardi et al. [88], Jafari et al. [35], and Pietro and Calvo [86], did not report the zeta potential.

For nanoencapsulated oils, the zeta potential is usually variable because of wall material characteristics. Campo et al. [37] obtained a zeta potential of − 11.58 ± 1.87 mV for encapsulated chia oil with chia seed mucilage as wall material. Nanoparticles of anionic gums, such as chia seed polysaccharide and cashew gum, can present negative zeta potential due to the presence of carboxylic acids groups in the carboxylate form (-COO-) that generates negative charges [82].

Another important analysis for the characterization of nanoparticles is Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), which is a technique used to obtain an infrared spectrum of the absorption or emission of a solid, liquid or gas. An FTIR spectrometer simultaneously collects high spectral resolution data over a wide spectral range. This provides a significant advantage over a dispersive spectrometer, which measures intensity over a narrow wavelength range. FTIR is a less intuitive way to obtain the same information. Usually, oil nanoparticles are used in the transmittance mode, operating with wavelengths between 400 and 500 and 4000 cm ⁻¹ and a resolution of 4 cm ⁻¹ [37, 84, 91].

Based on FTIR analysis, it is possible to physically perceive the interactions that take place between the nanoparticle components; for example, the FTIR results of nanoencapsulated garlic essential oil showed the characteristic Tween 80 (the emulsifier used) peaks. This phenomenon could be related to coverage in the garlic oil nanoemulsion spectrum due to the stretching vibration of the extracted garlic bands. The band at 1325–1450 cm ⁻¹ showed the presence of S=O, and the band at 1675–1600 cm ⁻¹ showed a -C-C=C symmetric stretch, both of which are present in garlic EO compounds [84].

Incorporation of Nanoencapsulated Oils into the Food Market and Patent Application

According to the House of Lords [92], food currently contains structures at the micro and nanoscale. Fruit juice is composed by plant material that was built from nanoscale ingredients, while Bailey’s Irish Cream contained nanoemulsions with an average droplet size of 190 nm. Margarine had water droplets smaller than 10 μm across, with even smaller fat crystals interspersed in them. The naturally occurring nanomaterials found in food ranged from particles smaller than 100 nm found in drinks such as tea, beer, and coffee to protein structures of approximately 300 nm found in eggs or soy to larger oil particles of approximately 800 nm found in substances such as milk. All fresh and processed food was structured at the nanoscale, and consequently, the body evolved over time to deal with nanoscaled materials.

Few studies have been performed on the incorporation of nanotechnology incorporation into trade [65]. Furthermore, no products that contained oil nanoencapsulation were found in the market. However, there are numerous oil microencapsulation products that can be found in trade, and there is an article that highlights this information [93]. This finding may be attributed to the fact that, in general, nanotechnology is relatively new, and it is a relatively complex technology to employ. However, it is possible to notice some similarities between the methods used for the micro and nanoencapsulation of oils. In addition, the regulation gap in nanotechnology raises some uncertainties about the use of this technology in the market.

Concerning nanotechnology regulation, there are a number of ongoing EU research projects aimed at addressing all aspects of nanosafety, including toxicology, ecotoxicology, risk assessment, exposure assessment, mechanisms of interaction, and standardization. Examples of ongoing EU projects include the NanoLyse project, which is dedicated to the development of analytical tools for the detection and characterization of engineered nanoparticles in food, and the NanoReTox project, which seeks to address the human health and environmental implications of exposure to engineered nanoparticles [94]. However, regulatory institutions such as the Environmental Protection Agency (EPA) and the Food and Drug Administration (FDA) in the USA or the Health and Consumer Protection Directorate of the European Commission have started addressing the potential risks posed by nanoparticles. So far, neither engineered nanoparticles nor the products and materials that contain them are subject to any special regulation regarding production, handling, or labeling.

Although there is no specific nanoparticle regulation, there are some food industry patent documents deposited in different countries. WO2018029626, a patent application from Argentina, focused on chia oil with an edible nanoemulsion. It described a chia oil nanoemulsion comprising between 10 and 20% of chia oil (Salvia hispanica L. ), between 2 and 5% of polysorbate, between 0.5 and 5% of at least one emulsifier other than the polysorbate, between 0.05 and 0.2% of at least one antioxidant, and water. Formulations of edible chia oil nanoemulsions used in transparent drinks and desserts, such as juices and jellies, were disclosed [95]. A patent application from the Republic of Korea, KR20160005182, focused on cinnamon oil nanoemulsions to inhibit the development and increase of dangerous food microorganisms. Furthermore, this invention could not only be used for food additives, food packaging materials, preservatives, etc. but also be utilized in the pharmaceutical and cosmetic industries [96]. A mustard oil nanoemulsion application patent from China, CN103315956, was prepared to alleviate the pungent smell of mustard oil to avoid volatilization, and the mustard oil may be used for bacterial resistance in food and drugs [97]. Wang Weichun Feng Wei submitted an application patent from China, CN103750050, describing a palm oil nanoemulsion that solved the problems of high grease costs, low absorption rates, low oil content in the existing prepared palm oil nanoemulsions, large granularity, poor stability, long production periods, high equipment investments, and high production costs in existing young animal feeds. The palm oil nanoemulsion was prepared by mixing an emulsifier with palm oil, cutting and emulsifying the mixture, and ultrasonically performing cell breaking in the mixture. The process was simple, the entire reaction process was easily controlled, the entire process production period was short, the equipment investment and production costs were low, the oil content of the produced nanoemulsion was high, the distribution granularity was small, the stability was good, and the digestion by livestock increased [98].

There is a growing trend of oil nanoencapsulation patent applications, indicating that many innovations have been made and attesting to the technology the global market.