Behaviour of lactoferrin nanohydrogels incorporating curcumin as model compound into food simulants

Abstract

Food-grade nanostructures can be used as vehicles for the incorporation of nutraceutical agents (e.g., antioxidants or vitamins) aiming at the development of functional foods. These nanostructures provide higher protection, stability and controlled release to such nutraceutical agents. Fundamental knowledge regarding nanostructures behaviour when associated with nutraceuticals and their interactions with real food matrices is essential. In this study, a lactoferrin (LF) nanohydrogel was developed to encapsulate curcumin (nutraceutical model) aiming at its behaviour evaluation. The release kinetics of curcumin from LF nanohydrogels were also assessed by using food simulants (i.e., hydrophilic medium (ethanol 10 %) and lipophilic medium (ethanol 50 %), according to the commission Regulation (EU) No 10/2011). LF nanohydrogel isolated and loaded with curcumin was comprehensively characterized resorting to several techniques such as dynamic light scattering (DLS), fluorometry, circular dichroism (CD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy (TEM) and native electrophoresis. These LF-curcumin nanohydrogels were studied at a spectroscopic level when incorporated into gelatine (food model matrix). This system was able to associate curcumin at 80 μg/mL with a remarkable efficiency of ca. 90 % and loading capacity of ca. 3 %. Within fluorometric characterization, it was suggested that LF and curcumin molecules bind through hydrophobic interactions and FRET (Fluorescence resonance energy transfer) occurrence allowed the determination of r distance between curcumin chromophores and the nearest LF hydrophobic residues at the binding site. Under refrigerated conditions (4 °C), this system is stable up to 35 days, while at room temperature (25 °C) it has shown to be stable up to 14 days of storage. LF nanohydrogel presented higher release rates of curcumin in a lipophilic food simulant (after ca. 7 h) in comparison with a hydrophilic one (after ca. 4 h). LF nanohydrogels were successfully incorporated in a gelatine matrix and the respective characterization indicated that LF and curcumin molecules did not show any degradation in this process. The physicochemical characterization of LF-curcumin nanohydrogels gave rise to valuable information in what binding, interactions and stability concerns. Finally, the behaviour of this system as well as curcumin release kinetics in food simulants endows LF nanohydrogel as an interesting system to associate with lipophilic nutraceuticals and to incorporate in refrigerated food products with hydrophilic character.

Nanoestruturas de grau alimentar podem ser utilizadas como veículos para a incorporação de agentes nutracêuticos (como antioxidantes ou vitaminas) visando o desenvolvimento de alimentos funcionais. Estas nanoestruturas conferem maior proteção, estabilidade e libertação controlada a tais agentes. É necessário um conhecimento fundamental face a estas nanoestruturas, visando compreender o seu comportamento quando associadas a nutracêuticos e a sua interação com matrizes alimentares. Neste trabalho, um nanohidrogel de lactoferrina (LF) foi desenvolvido para encapsular curcumina (modelo de composto nutracêutico), visando a avaliação do seu comportamento. As cinéticas de libertação da curcumina a partir dos nanohidrogéis de LF foram realizadas quando adicionados a simuladores alimentares (meio hidrofílico (etanol 10 %) e meio lipofílico (etanol 50 %)) (De acordo com a COMISSÃO REGULAMENTAR da UE n.º 10/2011). O nanohidrogel de proteína isolado e carregado com curcumina foi caracterizado recorrendo a diversas técnicas tais como DLS, fluorimetria, DC, FTIR, TEM e eletroforese. Os nanohidrogéis de LF-curcumina foram introduzidos numa gelatina modelo, e estudados a um nível espectroscópico. Este sistema foi capaz de associar curcumina a 80 μg/mL com uma notável eficiência de ~ 90% e capacidade de carga de ~ 3%. Na caracterização fluorométrica, sugeriu-se que as moléculas de LF e curcumina se ligam através de interações hidrofóbicas e, a ocorrência de FRET permitiu a determinação da distância entre os cromóforos de curcumina e os resíduos hidrofóbicos de LF mais próximos no local de ligação. Sob condições refrigeradas (4 ° C), este sistema é estável até 35 dias, enquanto que à temperatura ambiente (25 ° C) mostrou ser estável apenas até aos 14 dias de armazenamento. O nanohidrogel de LF apresentou taxas de libertação de curcumina superiores num simulador alimentar lipofílico (após ~ 7 horas) em comparação com um hidrofílico (após ~ 4 horas). Estas nanoestruturas foram incorporadas com sucesso numa gelatina e a respetiva caracterização indicou que quer a LF quer a curcumina não apresentaram degradação. A caracterização físico-química das mesmas permitiu a obtenção de informação valiosa no que às interações e estabilidade concerne. Finalmente, o comportamento deste sistema, bem como a cinética de libertação da curcumina em simuladores alimentares, dotam os nanohidrogéis de LF num sistema interessante para se associar a nutracêuticos lipofílicos e para incorporar em produtos alimentares refrigerados com carácter hidrofílico.