Essential oil nanoemulsions: mechanisms of stability and interaction with pectin films in bionanocomposite for active packaging applications

Microbial growth is among the challenges impairing food preservation and shelf-life. Essential oils (EO) featuring antimicrobial and antioxidant activities denote an alternative for lessening the contents of synthetic additives that may be harmful to human health. The limitations due the low EO solubility in water and their poor stability in aqueous media have been suppressed by the use of nanoemulsions (NE), which feature kinetic stability, intensify the antimicrobial effect of EO, and allow their dispersions in aqueous systems such as those involving polysaccharides for applications as packaging materials. The objective of this study were i) the production of NE having rosemary or clove EO as dispersed phase through high-energy (microfluidization - MF) or low-energy (catastrophic phase inversion - CPI) emulsification methods; ii) the evaluation of the NE stability with regard to the surfactant content in relation to the dispersed phase; and iii) the NE incorporation into pectin films to investigate the interaction among the components and the effect of the surfactant content on the physicochemical and active properties of the nanocomposites. The NE were characterized as to their average droplet sizes, zeta potentials, colloidal stability, and morphology. The films were evaluated as to their film-forming viscosity, morphology, wettability by water as well as mechanical, antimicrobial, and antioxidant properties. Regardless of the EO, the CPI-produced NE presented average droplet sizes and zeta potentials ranging from 100 to 500 nm and from -10 to -1 mV, respectively, being surfactant concentration and location the major factors affecting polydispersity. The MF was more efficient than CPI because the former led to average diameters ranging from 10 to 100 nm, and surfactant content was the dominant factor. The rosemary NE obtained through MF were more stable against creaming than clove NE against sedimentation. Cryo-TEM images indicate quasi-spherical particles with polydisperse diameters for CPI and homogeneous pattern for MF. Dynamic light scattering experiments did not evidence electrostatic interactions among pectin and surfactant, but the increased viscosity for surfactant contents between 10 and 20 wt.% suggested possible hydrophobic interactions, which led to films with increased hydrophobicity as well as sponge-like internal for both pectin/surfactant and pectin/NE films. The tensile strength and elastic modulus were decreased for surfactant contents higher than 20 wt.%. Rosemary EO exhibited antioxidant activity by capturing 85% of DPPH radicals and presenting an EC50% value of 50% of the initial EO concentration. The EC50% was decreased in the nanocomposites because of EO loss through evaporation upon drying, without any effect of the surfactant. On the other hand, antimicrobial activity was not detected because of the EO diffusion towards the culture medium, which was limited by the surfactant quantity and low oil-soluble in aqueous culture medium. This reported study is innovative because it relates the properties of pectin/rosemary NE nanocomposites with the content and characteristics of the surfactant, paving the route for a novel understanding on the role played by each component on the active and physicochemical properties.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Um dos desafios para preservação dos alimentos é a diminuição da proliferação de micro-organismos. Alternativas como a utilização de óleos essenciais, os quais apresentam propriedades antimicrobianas e antioxidantes, têm se mostrado interessante por diminuírem a utilização de compostos sintéticos, muitas vezes nocivos ao consumo. O objetivo deste trabalho foi a produção de nanoemulsões de óleos essenciais de alecrim e de alho por emulsificação de alta (microfluidização) e de baixa energia (inversão catastrófica de fase), e da avaliação da estabilidade e posterior incorporação em filmes de pectina para estudo das interações e do efeito da quantidade de surfactante nas propriedades físico-químicas, antioxidantes e antimicrobianas dos nanocompósitos. As nanoemulsões foram caracterizadas quanto ao diâmetro médio, potencial zeta, estabilidade coloidal e morfologia. Os filmes foram avaliados quanto à morfologia, molhabilidade à água, propriedades mecânicas, antimicrobianas e antioxidantes. Nanoemulsões para os dois óleos essenciais foram obtidas por métodos de inversão catastrófica de fase e apresentaram diâmetros médios entre 100 e 500 nm e potencial de superfície entre -1 e -10 mV, sendo a concentração e localização do surfactante fatores predominantes para obter NE com baixa polidispersividade. A microfluidização mostrou-se a emulsificação mais eficaz, produzindo diâmetros médios entre 10 e 100 nm para ambos os óleos essenciais, sendo a maior quantidade de surfactante predominante para obtenção de nanoemulsões com baixa polidispervidade. As nanoemulsões obtidas por microfluidização apresentaram maior estabilidade. Imagens de MET-crio das nanoemulsões indicaram partículas quasí-esféricas, com diâmetros variados para as produzidas por inversão catastrófica de fase e, dispersão homogêneas para microfluidização. Análise de espalhamento dinâmico da luz não indicaram interações eletrostáticas entre pectina/surfactante, contudo o aumento na viscosidade para valores de surfactante entre 10 e 20% m/m indicou possíveis interações hidrofóbicas entre porções da pectina e do surfactante, as quais ainda resultaram em um incremento na hidrofobicidade do filme, bem como em estruturas internas esponjosas tanto para filmes pectina/surfactante quanto para pectina/nanoemulsões. A tensão máxima e módulo elástico sofreram quedas para o valores de surfactante acima de 20% m/m. O óleo essencial de alecrim exibiu propriedades antioxidantes, com 85% de captura do radical DPPH e EC50% de 50% da concentração inicial de óleo utilizada. Para os nanocompósitos, o EC50% decaiu, devido a evaporação do óleo durante a secagem, sem qualquer interferência do surfactante. As características antimicrobianas, por outro lado não foram verificadas, devido à pouca ou nenhuma difusão de óleo essencial para o meio de cultura, dificultado pela concentração de surfactante. O estudo demonstrou-se inovador por relacionar as propriedades dos nanocompósitos pectina/nanoemulsões alecrim à características e quantidades do surfactante utilizado, permitindo um novo entendimento acerca da função de cada componente nas propriedades ativas quanto físico-químicas.CAPES: Código de Financiamento 001CAPES: 33001014005D-