Use of colloid systems for food and environmental applications

This thesis focuses on the study and the use of colloidal systems for food and environmental applications. The food application, developed in the first part of the work, deals with the study of edible nanoemulsions prepared with rice bran oil, dispersed in a aqueous medium, stabilized by sodium caseinate or Tween 20 or by a blend of the two emulsifiers, for the delivery through the gastrointestinal tract of curcumin, a molecule with strong bioactive properties. Sodium caseinate has been chosen for its surface-active properties and because it is perceived as a natural product by consumers, however it is known that this molecule is sensitive to pH variations. It was observed that the stability of caseinate to pH changes improved when used in combination with a non-ionic surfactant (Tween 20). It was also found that, at pH close to caseinate isoelectric point, emulsions stabilized by the blend of caseinate and Tween 20 were more stable, compared to those stabilized by sodium caseinate only. Non-ionic surfactant ensured the steric stabilization thus improving the role of sodium caseinate as emulsion stabilizer. In light of these results, the nanoemulsion stabilized by the emulsifiers blend has been used as a curcumin delivery system through in-vitro digestion experiments. The nanoemulsions stabilized by the blend of emulsifiers were compared with those stabilized by caseinate only for the assessment of the solubility in nanoemulsion and of the bioaccessibility of ingested curcumin. Nanoemulsions stabilized by the blend of emulsifiers were able to solubilize more curcumin than nanoemulsions stabilized by caseinate only. After the simulated digestion both the nanoemulsion types gave high values of curcumin bioavailability. Nevertheless, the best solution to adsorb curcumin was offered by the nanoemulsion stabilized by the blend of emulsifiers because it allowed the bioavailability of a significant amount of curcumin with a low fat content. In the second part of this work, the optimization of an analytical protocol, for an enviromental application was optimized. A number of significant applications, in the pollutant determination and removal fields, stresses the importance of optimizing treatments by utilizing strategies that meet reliability, sensitivity and economicity. In particular, a cost-effective analytical method has been implemented to determine the presence of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in large sample volumes (water), based on Dispersive Liquid-Liquid Microextraction (DLLME), followed by Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) for minimizing the sample preparation time and simultaneously obtaining high levels of sensitivity, reproducibility and selectivity. The novelties of the proposed method are the application of the extraction technique without the addition of the dispersive solvent and the high sensitivity. The developed method is very sensitive, as it allows performing PAHs determinations with a very high pre-concentration factor, up to 10,000 times.

Il presente lavoro di tesi si basa sullo studio e l’impiego dei sistemi colloidali per applicazioni alimentari e ambientali. L’applicazione alimentare, sviluppata nella prima parte del lavoro, ha riguardato lo studio di nanoemulsioni edibili preparate con olio di riso, disperso in mezzo acquoso, stabilizzato da caseinato di sodio o da Tween 20 o da una miscela dei due emulsificanti, per la veicolazione nel tratto gastrointestinale di curcumina, molecola con spiccate proprietà bioattive. Il caseinato è stato scelto per le sue proprietà tensioattive e perché è un prodotto naturale, tuttavia è noto che tale molecola manifesta elevata sensibilità alle variazioni di pH. E' stato osservato che la sua stabilità migliorava se utilizzato in combinazione con un tensioattivo non ionico (Tween 20). E’ stato inoltre riscontrato che, a valori di pH vicini al punto isoelettrico del caseinato, le emulsioni stabilizzate dalla miscela di caseinato e Tween 20 erano più stabili rispetto a quelle stabilizzate solo dal caseinato. Il tensioattivo non ionico garantiva la stabilizzazione sterica migliorando così il ruolo del caseinato come stabilizzante dell’emulsione. Alla luce di questi primi risultati, la composizione nanoemulsiva stabilizzata dalla miscela di emulsionanti è stata utilizzata come sistema di veicolazione della curcumina tramite esperimenti di digestione in-vitro. Le nanoemulsioni stabilizzate dalla miscela di emulsionanti sono state confrontate con quelle stabilizzate dal solo caseinato rispetto alla solubilità in nanoemulsione e alla bioaccessibilità della curcumina ingerita. Le nanoemulsioni stabilizzate dalla miscela dei due emulsionanti erano in grado di solubilizzare più curcumina rispetto alle nanoemulsioni stabilizzate dal solo caseinato. Dopo la digestione simulata, entrambe le nanoemulsioni fornivano valori elevati di biodisponibilità della curcumina. Tuttavia, la migliore soluzione era offerta dalla nanoemulsione prodotta con la miscela di emulsionanti che permetteva di solubilizzare concentrazioni elevate di curcumina e di avere valori alti di biodisponibilità assoluta con l’ingestione di un basso contenuto in grassi. Nella seconda parte del lavoro di tesi, è stato ottimizzato un protocollo analitico per un’applicazione ambientale. Numerose applicazioni nel campo della determinazione e rimozione di inquinanti sottolineano l’importanza dello sviluppo di strategie affidabili, sensibili ed economiche. In particolare è stato implementato un metodo analitico economico, per determinare la presenza di idrocarburi policiclici aromatici (IPA) in grandi volumi di campione (acqua), basato sulla microestrazione dispersiva liquido-liquido (DLLME), seguita dalla gas cromatografia-spettrometria di massa (GC-MS) per ridurre al minimo il tempo di preparazione del campione e, contemporaneamente, ottenere elevati livelli di sensibilità, riproducibilità e selettività. Le importanti novità del metodo proposto sono l’applicazione della tecnica di estrazione senza l’aggiunta del solvente disperdente e l’elevata sensibilità. Il metodo sviluppato si è dimostrato molto sensibile, in quanto consente di eseguire determinazioni di IPA con un fattore di pre-concentrazione molto alto, fino a 10.000 volte.