Resumen

Antecedentes y objetivos: Las propiedades funcionales de los aceites esenciales (AEs) son atribuidas a sus componentes, muchos de los cuales tienen actividad antioxidante y antimicrobiana contra bacterias patógenas y deteriorativas en alimentos. Los AEs son compuestos inestables, por lo que la encapsulación es una forma de protegerlos y de incrementar su funcionalidad.

En este estudio,se evaluóla efectividad antimicrobiana yantioxidante del aceite esencial de orégano (AEO), aceite esencial de tomillo (AET) yaceite esencial de hojas de clavo (AEHC), utilizados de manera individual o en mezclas, encapsulados por las técnicas de emulsión o emulsión-atomización, en sistemas modelo yen alimentos.

Material y métodos: Los AEs fueron caracterizados en base a sus propiedades fisicoquímicas. Las nanoemulsiones fueron preparadas al 5% p/p de los AEs y 10% p/p de sólidos (inulina) y fueron caracterizadas en base a sus propiedades físicas, eficiencia de encapsulación y estabilidad. Con el objetivo de estabilizar las nanoemulsiones mediantesecado por atomización, se aumentaron los sólidos al 20% p/p (inulina y goma arábiga 1:1). Las nanoemulsiones se caracterizaron en base a sus propiedades físicas y fueron secadas por atomización a dos temperaturas de entrada (160 ó180°C) y dos flujos de alimentación (5 ó10 g/min). Los polvos fueron caracterizados en base a sus propiedades fisicoquímicas y eficiencia de encapsulación.

Para la evaluación de la actividad antimicrobiana en sistemas modelo de los AEs y las nanoemulsiones de AEO, AET y AEHC, se utilizó el método de la microdilución para obtener la concentración mínima inhibitoria (CMI) y la concentración mínima bactericida (CMB) contra Escherichia coli, Staphylococcus aureus y Salmonella Typhimurium. Por otro lado, se determinó la actividad antimicrobianaen sistemas modelo de las mezclas binarias de las nanoemulsiones más efectivas (AEO y AET), usando también el método de la microdilución yhaciendo mezclasen diferentes proporciones de la CMI de las nanoemulsiones contra E. coliy S. aureus. Para la evaluación de la actividad antimicrobiana 4en alimentos(jugo verde ojugo de jitomate)de las nanoemulsiones de AEO y AETy de una mezcla binaria de las mismas (probada en sistemas modelo),se obtuvo la CMI de las nanoemulsiones contra el microorganismo más resistente (S. aureus)y se hicieron curvas de inhibición microbiana, las cuales fueron ajustadas mediante el modelo deWeibull.Los jugos fueron caracterizados, mediante sus propiedades fisicoquímicas. Finamente, en cuanto a la estabilización de las nanoemulsiones de AEO y AET mediante secado por atomización, se llevó a cabo la evaluación de las propiedades antioxidantes,mediante pruebas de inhibición del DPPH e índice de peróxidos, además se llevó a cabo una prueba de estabilidad de los polvos en almacenamiento a 45±1°C durante 7 y 14 días. Los resultados fueron analizados estadísticamente.

Resultados y conclusiones: En cuanto a la evaluaciónde la actividadantimicrobiana en sistemas modelo de los AEs y de las nanoemulsiones de AEO, AET y AEHC se observó que la CMIde los AEs contraE. coli, S. aureus y S. Typhimurium, disminuyó entre27-60%, cuando los AEs fueron nanoencapsulados. Para el AEO nanoencapsulado y no encapsulado se obtuvieron los valores más bajos de la CMI y la CMB para los microorganismos probados. Por otro lado, en cuanto a la evaluación de la actividad antimicrobiana en sistemas modelo de las mezclas binarias de las nanoemulsiones más efectivas (AEO y AET), se encontraron tres mezclas binarias (25-75%, 50-50% y 75-25% de la CMI) con carácter aditivo contra E. coli y S. aureus.En cuanto a la evaluación de la actividadantimicrobiana en alimentos (jugo verde ojugo de jitomate) de las nanoemulsiones de AEO y AET así comode una mezcla binaria de las mismas (probada en sistemas modelo), se observó que la mayoría de la poblaciónmicrobianase redujo a los pocos minutos de la aplicación de las nanoemulsiones y los valores de las medias de la distribución de frecuencia de resistencia variaron entre 1.75 y 12.09 min. Los perfiles de distribución de frecuencia para los tratamientos formulados con la mezcla binaria (50-50% de la CMI de las nanoemulsiones de AEO y AET), mostraron distribuciones estrechas y valores de media y varianza bajos, lo que sugirió que la población de S. aureuses en promedio más sensible y con una sensibilidad más uniformea la aplicación de la mezcla binaria de nanoemulsiones,y más aún cuando se aplicó en jugo verde. Se observaron diferentes comportamientos en jugo verde y jugo de jitomate, lo cual puede debersea la diferencia entre sus propiedades fisicoquímicas. El modelo de Weibull se adaptó adecuadamente a las curvas de inhibiciónde S. aureus.Finalmente, en cuanto a la estabilización de las nanoemulsiones de AEO y AET mediante secado por atomización, se observó que las mejores condiciones de secado fueron 160°C y 10g/min, ya que se obtuvieron los más altos valores de porcentaje de inhibición del DPPH(73.34±0.22%) y los valores más bajos de índice de peróxidos (0.63±0.12 meq/Kg), además de que estas condiciones fueron las que mejor preservaron las propiedades antioxidantes de los AEs microencapsulados durante las pruebas de almacenamiento acelerado. Los polvos secados bajo estas condiciones podrían utilizarse en futuros estudios para su aplicación en alimentos como agentes antioxidantes o antimicrobianos.

Abstract

Background and objectives: Functional properties of essential oils (AEs) are attributed to their components, many of which exhibit antioxidant and antimicrobial activity against pathogenic and spoilage microorganisms in a wide variety of foods. However, AEs are unstable compounds; therefore, they can be encapsulated for a better protection and increase their functionality.

In this study, the antimicrobial andantioxidant activities of oregano essential oil (AEO), thyme essential oil (AET) andclove leaves essential oil (AEHC), usedindividually or in mixtures, encapsulated by emulsification or emulsification-atomization, in model anin food systems, were evaluated.

Material and Methods: The AEs were characterized based on their physicochemical properties. Nanoemulsions were prepared, using 5% (w/w) of AEs and 10% (w/w) of solids (inulin), and then characterized based on their physical properties, encapsulation efficiency and stability. In order to stabilize the nanoemulsions by spray drying, the solids were increased to 20% (w/w) using inulin and gum arabic (1:1). The nanoemulsions were characterized based on their physical properties and were spray dried at two inlet temperatures (160 and 180°C) and two feeding rates (5 and 10 g/min). Powders were characterized based on their physicochemical properties and encapsulation efficiency.The microdilution antimicrobial assay was carried out to evaluate the minimum inhibitory concentration (CMI)and minimum bactericidal concentration (CMB) of the AEs and their nanoemulsions of AEO, AET and AEHC, against Escherichia coli, Staphylococcus aureusand Salmonella Typhimurium, in model systems. On the other hand, the antimicrobial activity of the binary mixtures of the most effective nanoemulsions (AEO and AET), was determined in model systems, using the microdilution antimicrobial assay and through combinations in different proportions of the CMI of the nanoemulsions, against E. coliand S. Aureus. Forthe antimicrobial activity evaluation in food systems (tomato juice orgreen juice), of the AEO and AET nanoemulsions and their binary mixture (previously evaluated in model systems), the CMI of the nanoemulsions against the most resistant microorganism (S. aureus)and microbial inhibition curves were obtained, which were adjusted by the Weibull model. The juices were characterized by their physicochemical properties. Finally, regarding the stabilization of AEO and AET nanoemulsions by spray drying, the evaluation oftheantioxidant properties was carried out by inhibition of the DPPH radical and peroxide index analysis. In addition, a powder stability test was carried out in storage at 45±1°C for 7 and 14 days. Results were statistically analyzed.

Results andconclusions: Regarding the evaluation of antimicrobial activity of AEs and nanoemulsions of AEO, AET and AEHC, in model systems, it was observed that the CMIof AEs against E. coli, S. aureusand S. Typhimurium, decreased among27-60%, when the AEs were nanoencapsulated. For nanoencapsulated and non-encapsulated AEO, the lowest CMI and CMB values were obtained, for all the target microorganisms.On the other hand, in the antimicrobial activity evaluation of the most effective binary mixtures of nanoemulsions (AEO and AET), in model systems, three binary mixtures were found with additive activity,against E. coliand S. aureus(25-75%, 50-50% and 75-25% of CMI). Regarding the antimicrobial activity evaluation in food(green juice ortomato juice) of the AEO and AET nanoemulsions and theirbinary mixture (previously evaluatedin modelsystems), it was observed that, the microbial populationwas reduced a few minutes after the application of the nanoemulsions andvalues of the means varied between 1.75 and 12.09 min.The frequency distribution profiles for the treatments formulated with the binary mixture (50-50% of the CMIof the nanoemulsions of AEO and AET), showed narrow distributions and low mean and variance values, which suggested that the population of S. aureusis more sensitive to the application of the binary mixture of nanoemulsions and even more,when applied in green juice. Different behaviors were observed in green juice and tomato juice, which may be due to the difference between their physicochemical properties.The Weibull model was well adapted to the inhibition curvesof S. aureus. On the other hand, inthe stabilization of the AEO and AET nanoemulsions by spray drying, it was observed that the best drying conditions were 160 ° C and 10 g / min, becausethehighest percentage inhibition of theDPPHvalues(73.34 ± 0.22%) and the lowest peroxide index values (0.63 ± 0.12 meq / Kg)were obtained. In addition, these conditions were the ones that best preserved the antioxidant properties of microencapsulated AEs during accelerated storage evaluation.

Palabras clave: nanoencapsulación, actividad antimicrobiana, actividad antioxidante.

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Índice de contenido

Portada

Agradecimientos

Índices

Capítulo 1. Resumen en español y en inglés

Capítulo 2. Introducción

Capítulo 3. Justificación

Capítulo 4. Objetivos

Capítulo 5. Marco Teórico

Capítulo 6. Materiales y Métodos

Capítulo 7. Resultados y Discusión

Capítulo 8. Conclusiones y Recomendaciones

Referencias

Anexo 1. Publicaciones y participación en congresos

Anexo 2. Evidencias

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Ruíz González, N. 2020. Evaluación de la efectividad antimicrobiana o antioxidante de aceites esenciales encapsulados por las técnicas de emulsión o emulsión - atomización en sistemas modelo o en alimentos. Proyecto Final Doctorado. Ciencia de Alimentos. Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental, Escuela de Ingeniería, Universidad de las Américas Puebla. Junio. Derechos Reservados © 2020.