Stabilization of food emulsion by polysaccharides and protein-polysaccharide complexes: a short review

Мария Сергеевна Лавлинская; Андрей Викторович Сорокин; Марина Геннадьевна Холявка; Юрий Федорович Зуев; Валерий Григорьевич Артюхов

doi:10.17308/kcmf.2024.26/11933

Мария Сергеевна Лавлинская ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-9058-027X
Андрей Викторович Сорокин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5268-9557
Марина Геннадьевна Холявка ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», ул. Студенческая, 33, Севастополь 299053, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1390-4119
Юрий Федорович Зуев Казанский институт биохимии и биофизики Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук», ул. Лобачевского, 2/31, Казань 420111, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-6715-2530
Валерий Григорьевич Артюхов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-5872-8382

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/11933

Ключевые слова: хитозан, альгинат натрия, белок-полисахаридные комплексы, пищевые эмульсии, стабилизация

Аннотация

Эмульсии – гетерогенные системы, состоящие из двух несмешивающихся жидкостей, широко распространены в пищевой промышленности как основа некоторых продуктов (майонезы, соусы и др.) и в качестве компонентов для создания функциональных продуктов питания, содержащие системы адресной доставки биологически активных веществ (витаминов, нутрицевтиков, флавоноидов и др.). С термодинамической точки зрения эмульсии – неустойчивые системы, обладающие избыточной поверхностной энергией, поэтому для них характерно быстрое разрушение путем фазового разделения. Для решения этой проблемы применяются эмульгаторы – дифильные молекулы различной природы, снижающие поверхностное натяжение, т. е. обладающие поверхностной активностью. Однако большая часть таких стабилизаторов является синтетическими и токсичными продуктами, что значительно
ограничивает области их использования в пищевой промышленности. Природные биополимеры, такие как полисахариды и белки, а также их комплексы являются амфифильными макромолекулами, сочетающими в себе как полярные, так и гидрофобные фрагменты, обладают поверхностно-активными свойствами, низкой токсичностью и отличной биосовместимостью, поэтому они могут рассматриваться в качестве перспективных стабилизаторов эмульсий пищевого назначения. Особое место среди полисахаридов занимают хитозаны и альгинаты, которые, кроме прочих названных выше достоинств, являются доступными и дешевыми материалами.

Целью настоящей работы является краткий обзор перспектив использования хитозана, альгината натрия и белокполисахаридных комплексов в качестве стабилизаторов эмульсий и пен пищевого назначения. В работе обсуждены возможности применения хитозана, альгината натрия, пропиленгликоль альгината, а также различных белокполисахаридных комплексов в качестве стабилизаторов гетерогенных систем пищевого назначения – пен и эмульсий, являющихся основой многих пищевых продуктов. Кроме того, особое внимание в работе уделяется перспективам внедрения эмульгаторов на основе полисахаридов в промышленное производство и отмечены проблемы, которые предстоит решить для успешной разработки эмульсий, стабилизированных биополимерами, являющихся основой для создания функциональных продуктов питания

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Мария Сергеевна Лавлинская, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. х. н., с. н. с. кафедры биофизики и биотехнологии, Воронежский
государственный университет (Воронеж Российская Федерация)

Андрей Викторович Сорокин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. б. н., с. н. с. кафедры биофизики и биотехнологии, Воронежский
государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Марина Геннадьевна Холявка, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», ул. Студенческая, 33, Севастополь 299053, Российская Федерация

д. б. н., доцент, профессор кафедры биофизики и биотехнологии,
Воронежский государственный университет; профессор кафедры физика Севастопольского государственного университета (Воронеж, Севастополь, Российская Федерация).

Юрий Федорович Зуев, Казанский институт биохимии и биофизики Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук», ул. Лобачевского, 2/31, Казань 420111, Российская Федерация

д. х. н., профессор, руководитель лаборатории биофизической химии наносистем, Казанский институт биохимии и биофизики, Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук» (Казань, Российская Федерация)

Валерий Григорьевич Артюхов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. б. н., профессор, заведующий кафедрой биофизики и биотехнологии, Воронежский государственный университет (Воронеж Российская Федерация)

Литература

Koroleva M. Y., Yurtov E. V. Pickering emulsions: structure, properties and the use as colloidosomes and stimuli-sensitive emulsions. Russian Chemical Reviews. 2022;91(5): RCR5024. https://doi.org/10.1070/RCR5024

Bagale U., Kalinina I. V., Naumenko N. V., Kadi Ya. A. M., Malinin A. V., Tsaturov A. V. The possibilities of using double emulsions in the food industry. Part 2: formation of food systems of a new format. Bulletin of South Ural State University, Series “Food and Biotechnology”. 2023;11(1): 27–34. (in Russ.). https://doi.org/10.14529/food230103

Stuzhuk A. N., Gritskova I. A., Gorbatov P. S., Shkol’nikov A. V., Kuznetsov A. A. Influence of dispersion conditions and nature of the emulsifier on the dispersity and stability of artificial polymer suspensions based on polyetherimide. Russian Chemical Bulletin. 2022;71(2): 382-388. https://doi.org/10.1007/s11172-022-3423-4

Nushtaeva А., Vilkova N. G. Hydrophobization of silica particles with various cationic surfactants. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Seriya Khimiya i Khimicheskaya Tekhnologiya (ChemChemTech). 2021;64(3): 41–45. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216403.6321

Paciello S., Russo T., De Marchi L., … Freitas R. Sub-lethal effects induced in Mytilus galloprovincialis after short-term exposure to sodium lauryl sulfate: Comparison of the biological responses given by mussels under two temperature scenarios. Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology &Pharmacology. 2023;70: 109644. https://doi.org/10.1016/j.cbpc.2023.109644

Han W., Long W., Peng L., Zhang W., Shi B. Effect of nonionic and anionic surfactant on ecotoxicity and micellization behaviors of dodecyl trimethyl ammonium bromide (DTAB). Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2023;671: 131588. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2023.131588

Amiri-Rigi A., Kesavan Pillai S., Naushad Emmambux M. Development of hemp seed oil nanoemulsions loaded with ascorbyl palmitate: Effect of operational parameters, emulsifiers, and wall materials. Food Chemistry. 2023;400: 134052. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134052

Feng S., Guo Y., Liu F., … Zhang Y. The impacts of complexation and glycated conjugation on the performance of soy protein isolate gum Arabic composites at the O/W interface for emulsion based delivery systems. Food Hydrocolloids. 2023;135: 108168. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022.108168

Niu H., Hou K., Chen H., Fu X. A review of sugar beet pectin stabilized emulsion: Extraction, structure, interfacial self assembly and emulsion stability. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2022;64(3): 852–872.. https://doi.org/10.1080/10408398.2022.2109586

Lin J., Guo X., Ai C., Zhang T., Yu S. Genipin crosslinked sugar beet pectin whey protein isolate/ bovine serum albumin conjugates with enhanced emulsifying properties. Food Hydrocolloids. 2020;105: 105802. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2020.105802

Anal A. K., Shrestha S., Sadiq, M. B. Biopolymeric based emulsions and their effects during processing, digestibility and bioaccessibility of bioactive compounds in food systems. Food Hydrocolloids. 2019;87: 691–702. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2018.09.008

Sorokin A. V., Kholyavka M. G., Lavlinskaya M. S. Synthesis of chitosan and N-vinylimidazole graftcopolymers and the properties of their aqueous solutions. Condensed Matter and Interphases. 2021;23(4), 570–577. https://doi.org/10.17308/kcmf.2021.23/3676

Kabanov V. L., Novinyuk L. V. Chitosan application in food technology: a review of recent advances. Food Systems. 2020;3(1):10–15. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2020-3-1-10-15

Olshannikova S. S., Redko Y. А., Lavlinskaya M. S., Sorokin A. V., Holyavka M. G., Yudin N. E., Artyukhov V. G. Study of the proteolytic activity of ficin associates with chitosan nanoparticles. Condensed Matter and Interphases. 2022;24(4): 523–528. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/10556

Goncharova S. S., Redko Y. A., Lavlinskaya M. S., Sorokin A. V., Holyavka M. G., Kondratyev M. S., Artyukhov, V. G. Biocatalysts based on papain associates with chitosan nanoparticles. Condensed Matter and Interphases. 2023;25(2): 173–181. https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11098

Malykhina N. V., Olshannikova S. S., Holyavka M. G., Sorokin A. V., Lavlinskaya M. S., Artyukhov V. G., Faizullin D. A., Zuev Yu. F. Preparation of ficin complexes with carboxymethylchitosan and N-(2-hydroxy)propyl-3-trimethyl ammonium chitosan and the study of their structural features. Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2022; 48(Suppl 1): S50–S60 (2022). https://doi.org/10.1134/S1068162022060176

Liu H., Wang C., Zou S., Wei Z., Tong Z. Simple, reversible emulsion system switched by pH on the basis of chitosan without any hydrophobic modification. Langmuir. 2012;28(30): 11017–11024. https://doi.org/10.1021/la3021113

Rodrı́guez M. S., Albertengo L. A. Agulló E. Emulsification capacity of chitosan. Carbohydrate Polymers. 2002;48(3): 271–276. https://doi.org/10.1016/s0144–8617(01)00258–2

Zhang C., Xu W., Jin W., Shah B. R., Li Y., Li B. Influence of anionic alginate and cationic chitosan on physicochemical stability and carotenoids bioaccessibility of soy protein isolate-stabilized emulsions. Food Research International. 2015;77: 419–425. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2015.09.020

Chang H. W., Tan T. B., Tan P. Y., Nehdi I. A., Sbihi H. M., Tan C. P. Microencapsulation of fish oilin- water emulsion using thiol-modified b-lactoglobulin fibrils-chitosan complex. Journal of Food Engineering. 2020;264: 109680. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2019.07.027

Ji C., Luo Y. Plant protein-based high internal phase Pickering emulsions: Functional properties and potential food applications. Journal of Agriculture and Food Research. 2023;12: 100604. https://doi.org/10.1016/j.jafr.2023.100604

Roll Zimmer T. B., Barboza Mendonça C. R., Zambiazi R. C. Methods of protection and application of carotenoids in foods — A bibliographic review. Food Bioscience. 2022;48: 101829. https://doi.org/10.1016/j.fbio.2022.101829

He B., Ge J., Yue P., … Ga X. Loading of anthocyanins on chitosan nanoparticles influences anthocyanin degradation in gastrointestinal fluids and stability in a beverage. Food Chemistry. 2017;221: 1671–1677. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2016.10.120

Antipova A. P., Sorokin A. V., Lavlinskaya M. S. Development of an obtaining method for a graft copolymer based on sodium alginate for potential biomedical applications. Proceedings of Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy. 2022; 4: 5–11. (In Russ.). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=49963545

Makarova A. O., Derkach S. R., Khair Т., Kazantseva M. A., Zuev Yu. F., Zueva O. S. Ion-induced polysaccharide gelation: peculiarities of alginate eggbox association with different divalent cations. Polymers. 2023;15: 1243. https://doi.org/10.3390/polym15051243

Zueva O. S., Khair T., Derkach S. R., Kazantseva M. A., Zuev Yu. F. Strontium-induced gelation of sodium alginate in the presence of carbon nanotubes: elemental analysis and gel structure. Journal of Composites cience. 2023;7: 286. https://doi.org/10.3390/jcs7070286

Len’shina N. A., Konev A. N., Baten’kin A. A., … Zagainov V. E. Alginate functionalization for the microencapsulation of insulin producing cells. Polymer Science, Series B. 2021;63(6): 640–656. https://doi.org/10.1134/S1560090421060129

Qin Y., Zhang G., Chen H. The applications of alginate in functional food products. Journal of Nutrition and Food Science. 2020;3(1): 13. Available at: https://www.henrypublishinggroups.com/wpcontent/uploads/2020/05/the-applications-ofalginate-in-functional-food-products.pdf

Steiner A. B. Manufacture of glycol alginates. US Patent No. 2426215A. Publ. 26.08.1947. 30. Nogaeva U. V., Naumova A. A., Novinkov A. G., … Abrosimova O. N. Сomparative study of rheological properties of gels and creams on different carrier bases. Drug development & registration. 2022;11(3): 121–129. (In Russ.). https://doi.org/10.33380/2305-2066-2022-11-3-121-129

Ai C. Recent advances on the emulsifying properties of dietary polysaccharides. eFood. 2023;4(4): e106. https://doi.org/10.1002/efd2.106

Schmitt C., Kolodziejczyk E., Leser M. E. Interfacial and foam stabilization properties of b-lactoglobulin-acacia gum electrostatic complexes. In: Food colloids: interactions, microstructure and processing. E. Dickson (ed.). Royal Society of Chemistry; 2005. p. 284–300. https://doi.org/10.1039/9781847552389-00284

Schmitt C., Kolodziejczyk E. Proteinpolysaccharide complexes: from basics to food applications. In: Gums and stabilisers for the food industry, 15. Williams P. A., Phillips G. O. (eds.). RoyalSociety of Chemistry; 2010. p. 211-222. https://doi.org/10.1039/9781849730747-00211

Ganzevles R. A., Cohen Stuart M. A., van Vliet T., de Jongh H. H. J. Use of polysaccharides to control protein adsorption to the air–water interface.Food Hydrocollids. 2006;20: 872–878. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2005.08.009

Schmidt I., Novales B., Boué F., Axelos M. A. V. Foaming properties of protein/pectin electrostatic complexes and foam structure at nanoscale. Journal of Colloid and Interface Science. 2010;345:316–324. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2010.01.016

McClements D. J. Non-covalent interactions between proteins and polysaccharides. Biotechnology Advances. 2006;24: 621–625. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2006.07.003

Jourdain L. S., Schmitt C., Leser M. E., Murray B. S., Dickinson E. Mixed layers of sodium caseinate + dextran sulfate: influence of order of addition to oil-water interface. Langmuir. 2009;25: 10026–10037. https://doi.org/10.1021/la900919w

Ducel V., Richard J., Popineau Y., Boury F. Rheological interfacial properties of plant protein Arabic gum coacervates at the oil–water interface. Biomacromolecules. 2005;6:790–796. https://doi.org/10.1021/bm0494601

Cho Y. H., McClements D. J. Theoretical stability maps for guiding preparation of emulsions stabilized by protein−polysaccharide interfacial complexes. Langmuir. 2009;25: 6649–6657. https://doi.org/10.1021/la8006684

Guzey D., Kim H. J., McClements D. J., Factors influencing the production of o/w emulsions stabilized by b-lactoglobulin–pectin membranes. Food Hydrocolloids. 2004;18: 967–975. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2004.04.001

Harnsilawat T. , Pongsawatmanit R. , McClements D. J. Stabilization of model beverage cloud emulsions using protein-polysaccharide electrostatic complexes formed at the oil-water interface. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2006;54: 5540–5547. https://doi.org/10.1021/jf052860a

Guzey D., McClements D. J. Formation, stability and properties of multilayer emulsions for application in the food industry. Advances in Colloid and Interface Science. 2006;128–130: 227–248. https://doi.org/10.1016/j.cis.2006.11.021

Laplante S., Turgeon S. L., Paquin P. Effect of pH, ionic strength, and composition on emulsion stabilising properties of chitosan in a model system containing whey protein isolate. Food Hydrocolloids. 2005;19: 721–729. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2004.08.001

Moschakis T., Murray B. S., Biliaderis C. Modifications in stability and structure of whey protein-coated o/w emulsions by interacting chitosan and gum arabic mixed dispersions. Food hydrocolloids. 2010; 24: 8–17. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2009.07.001

Schmitt C., Turgeon S. L. Protein/polysaccharide complexes and coacervates in food systems. Advances in Colloid and Interface Science. 2011;167(1–2): 63–70. https://doi.org/10.1016/j.cis.2010.10.001