Produção de sistemas lipossomais em dispositivos microfluídicos visando aplicações alimentícias

Orientadores: Rosiane Lopes da Cunha, Lucimara Gaziola de la TorreTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: Este projeto teve como objetivo o desenvolvimento tecnológico de processos microfluídicos para a obtenção de estruturas lipossomais visando à sua utilização como sistemas de encapsulação para as indústrias de alimentos. Inicialmente foi avaliada a viabilidade técnica de obtenção de nanovesículas incorporadas com ?-caroteno utilizando diferentes lecitinas comerciais de soja pelo método de injeção de etanol. O tipo de lecitina utilizada para a produção de nanovesículas não influenciou na capacidade de carregamento do ?-caroteno, porém influenciou nas propriedades estruturais dos lipossomas formados. Assim, foi possível utilizar uma lecitina comercial de soja de baixo custo contendo triacilgliceróis para a produção de lipossomas visando à veiculação do ?-caroteno. Na segunda etapa, lipossomas foram produzidos continuamente utilizando dispositivos microfluídicos de focalização hidrodinâmica. Este estudo objetivou um aumento da taxa de produção de lipossomas para uma redução no número de canais visando a um sistema microfluídico paralelizado mais eficiente. Diferentes estratégias para o aumento da produtividade foram avaliadas em função dos impactos causados nas distribuições de tamanho dos lipossomas formados. Os resultados indicam que lipossomas com baixa polidispersidade podem ser obtidos continuamente com uma alta taxa de síntese, utilizando dispositivos microfluídicos com canais de seção retangular de elevada relação largura/altura em altas vazões volumétricas e alta concentração de lecitina. Na terceira etapa, lipossomas gigantes baseados em emulsões duplas A/O/A foram produzidos em um dispositivo microcapilar de vidro, empregando uma mistura de acetato de etila e pentano em substituição às misturas contendo clorofórmio e/ou hexano normalmente utilizadas para solubilizar os fosfolipídios. O tamanho das gotas das emulsões duplas foi precisamente ajustado com uma variação da vazão da fase contínua. Assim, de forma inédita, foi possível desenvolver um processo microfluídico para produção de lipossomas gigantes utilizando ingredientes e materiais com possibilidades reais de aplicação em sistemas alimentícios. Todos os resultados experimentais obtidos sugerem que lecitinas comerciais de soja amplamente disponíveis como emulsificantes para indústria de alimentos podem ser utilizadas como uma alternativa de baixo custo para obtenção de sistemas lipossomais incorporados com ?-caroteno. Além disso, podemos concluir que diferentes processos microfluídicos podem ser empregados para obtenção de diferentes estruturas lipossomaisAbstract: The project evaluated the technological development of microfluidic processes for production of liposomal structures aiming their use as delivery systems for food industries. In the first step, it was evaluated the technical feasibility of obtaining ?-carotene-incorporated nanovesicles using different commercial soybean lecithin by the ethanol injection method. The lecithin-type used did not influence on loading capacity of ?-carotene, but it influenced on the structural properties of the liposomes generated. Thus, it was possible to use commercial low-cost soybean lecithin containing triacylglycerol for the production of liposomes for ?-carotene delivery. In the second step, liposomes were produced in a continuous mode using hydrodynamic flow-focusing microfluidic devices. This step aimed at increasing the production rate of liposome for a reduction in the number of channels to obtain a more efficient parallelized microfluidic system. Different strategies to increase liposome throughput were evaluated as a function of the impacts caused on the size distributions of the liposomes generated. The results indicate that liposomes with low polydispersity can be obtained in continuous mode at a high synthesis rate. The best results were observed using microfluidic devices with cross-section area of high aspect-ratio channels, at high volumetric flow rates and lecithin concentration. In the third step, giant liposomes based on W/O/W double emulsions were produced using a glass capillary device through an ethyl acetate/pentane mixture in replacement of a mixture containing chloroform and hexane normally used for phospholipid dissolution. The droplet size of the double emulsions was tuned by a flow variation of continuous phase. Thus, in an unprecedented way, it was possible to develop a microfluidic process for the production of giant liposomes using ingredients and materials with true possibilities of application in food systems. All experimental results obtained suggest that commercial soybean lecithins widely available as emulsifiers for the food industry can be used as a low-cost alternative to obtain ?-carotene-incorporated liposomal systems. Apart that, we can conclude that different microfluidic processes can be used to produce different liposomal structuresDoutoradoEngenharia de AlimentosDoutor em Engenharia de Alimentos140283/2013-7CNPQFAPESPCAPE

Separation and purification of galactoolisaccharides by nanofiltration

Orientadores: Francisco Maugeri Filho, Andrea Limoeiro CarvalhoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: Galacto-oligossacarídeos (GOS) são oligossacarídeos não digeríveis que apresentam propriedades prebióticas, pois auxiliam na proliferação de bifidobactérias no cólon. Os GOS podem ser obtidos pela reação de transgalactosilação da galactose catalisada pela enzima ?-galactosidase a partir de substratos ricos em lactose. Neste processo, as misturas de açúcares obtidas após a síntese contêm além dos GOS, mono- e dissacarídeos residuais. Portanto, uma alternativa interessante para aumentar a participação dos GOS no mercado de alimentos funcionais e também incrementar seu valor comercial é sua separação dos demais açúcares. Para tal finalidade, os processos de separação por membranas de nanofiltração podem ser empregados. Estes apresentam vantagens em relação aos processos cromatográficos como a economia de energia e a simplicidade de operação e de ampliação de escala. Deste modo, o objetivo deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para purificação de GOS utilizando membranas de nanofiltração. A partir de uma solução modelo contendo GOS, lactose, glicose e galactose, as membranas de nanofiltração NP010 e NP030 constituídas de polietersulfonas com massa molecular de corte de 1000 e 400 Da, respectivamente, e as membranas Desal 5-DK, Desal 5-DL e Desal 5-HL ambas constituídas de poliamidas aromáticas com massa molecular de corte de 150-300 Da foram utilizadas em um sistema de escala laboratorial que simula um processo de filtração tangencial na pressão de 3 MPa a 30°C. A membrana NP030 foi selecionada, pois apresentou nestas condições o maior fator de purificação (FP) de 1,68±0,06, diferindo-se estatisticamente das demais membranas testadas. Após a etapa de seleção, foi conduzido um delineamento composto 22, com faces centradas e tréplicas nos pontos centrais, totalizando 11 ensaios, variando a pressão de operação do sistema (2 a 4 MPa) e a temperatura do processo (15 a 55°C). A pressão de 3 MPa e a temperatura de 35°C resultaram nos maiores valores de FP (>1,77). Em seguida, um processo de diafiltração descontínua foi realizado com a finalidade de aumentar a pureza da solução retida e verificou-se que após a 1º etapa de diafiltração o valor de FP (~1,87) manteve-se constante até o 4º ciclo de diafiltração. As análises das micrografias obtidas através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostram que a membrana NP030 apresenta deposições de solutos e adesão de micro-organismos na superfície filtrante após sua utilização e lavagem com água, indicando a necessidade de um controle das incrustações e do biofouling para sua reutilização. As micrografias obtidas através de MEV do suporte da membrana indicaram uma possível compactação física. Como etapa subsequente, foi realizada uma validação industrial do processo, utilizando uma unidade piloto de filtração de fluxo tangencial com um módulo espiral da membrana NP030. Foi possível observar que a solução final retida apresentou após 3900 s um valor de FP de 2,55 e uma recuperação de GOS de 97,82%. Foi possível identificar os mecanismos de incrustações dos poros através dos valores dos coeficientes cinéticos de adsorção e pode-se concluir que as incrustações da galactose e da glicose correspondem a um modelo padrão de bloqueio dos poros, enquanto que para os GOS e a lactose a um modelo de bloqueio parcial. Foi estimado o tamanho médio dos poros de permeção da membrana NP030, sendo possível afimar que a probabilidade dos poros de permeação da membrana estarem contidos no intervalo entre 1,94-3,47 nm é de 68,2%. Com estes resultados, pode-se afirmar que as membranas de nanofiltração podem ser utilizadas como uma etapa inicial na purificação dos GOS obtidos através de síntese enzimática. Para obtenção de uma solução com pureza comercial, outras técnicas de purificação deveram ser aplicadas após a nanofiltraçãoAbstract: Galactooligosaccharides (GOS) are oligosaccharides that present non-digestible prebiotic properties because they assist in the proliferation of bifidobacteria in the human colon. GOS may be obtained by the transgalactosylation reaction of galactose catalyzed by the ?- galactosidase enzyme from substrates rich in lactose. In this process the mixtures of sugars obtained after synthesis contain not only GOS, but also mono-and disaccharide residues. Thus, an interesting alternative to increase the participation of GOS in the functional foods market and also enhance its commercial value is its separation from other sugars. For this purpose, separation processes utilizing nanofiltration membranes may be employed. These processes have advantages over chromatographic processes including energy saving and simplicity of operation and scale increase. The objective of this study was therefore to develop a methodology for purification of GOS using nanofiltration membranes. From a solution containing GOS, lactose, glucose and galactose, the nanofiltration membranes NP010 and NP030, composed of polyethersulfones with molecular weight cut-offs of 1000 Da and 400, respectively, as well as the membranes Desal 5-DK, Desal 5-DL and Desal 5-HL made of aromatic polyamides with molecular mass cut-offs of 150-300 Da were used in a system that simulates a laboratory scale cross-flow filtration process at a pressure of 3 MPa at 30°C. The NP030 membrane was selected because at these conditions it presented the highest purification factor (PF) of 1.68±0.06, statistically different from the other membranes tested. After the selection step, a compound 22 design was conducted with centered faces and triplicate of the central points, totaling 11 assays, varying the operating pressure of the system (2 to 4 MPa) and the process temperature (15 to 55°C). The pressure of 3 MPa and temperature of 35°C resulted in the highest PF values (>1.77). Then a discontinuous diafiltration process was carried out in order to increase the purity of the retained solution, where it was found that after the 1st diafiltration step the PF (~1.87) remained constant until the 4th diafiltration step. Analyses of the micrographs obtained by scanning electron microscopy (SEM) showed that membrane NP030 presents deposits of solutes and adhesion of microorganisms on the filter surface after use and washing with water, indicating the need for control of fouling and biofouling for reuse. The SEM micrographs of the membrane support indicated a possible physical compaction. In a subsequent step, an industrial validation of the process was performed using a pilot tangential flow filtration unit with a model NP030 spiral membrane. It was observed that the final solution retained after 3900 s presented a PF value of 2.55 and a recovery of 97.82% GOS. It was possible to identify the fouling mechanisms of the pores using values of the kinetic adsorption coefficients and it could be concluded that galactose and glucose fouling corresponded to a standard blocking model of the pores, while for lactose and GOS a partial blocking model. The average pore size of the NP030 membrane was estimated, thus it was possible to affirm the probability of the membrane permeation pores in the interval between 1.94-3.47 nm, which was 68.2%. Based on these results, nanofiltration membranes may be used as an initial step in purification of GOS obtained by enzymatic synthesis. To obtain a solution with commercial purity, other purification techniques should be applied after nanofiltrationMestradoEngenharia de AlimentosMestre em Engenharia de Alimento

Structural Characterization Of Beta-carotene-incorporated Nanovesicles Produced With Non-purified Phospholipids

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)The technical feasibility of obtaining beta-carotene-incorporated phospholipid nanovesicles using non-purified soybean lecithins was studied. For this purpose, three lecithin-types were evaluated. Nanovesicles were characterized by average hydrodynamic diameter, particle size distribution, polydispersity index, zeta-potential, transmission electron microscopy, membrane microviscosity, small angle X-ray scattering and capacity of lipid peroxidation inhibition. In general, the beta-carotene incorporation did not promote a significant increase on average hydrodynamic diameter, but vesicles produced from lecithins containing triglycerides showed lower polydispersity. The lecithin type used to produce nanovesicles did not influence the beta-carotene loading capacity, but significantly influenced the microviscosity of liposomal membrane and lipid peroxidation inhibition capacity. Non-enzymatically modified lecithin (containing or not triglycerides) showed similar efficiency and peroxidation inhibition capacity considering beta-carotene incorporation. Therefore, low-cost non-purified lecithin can be employed for production of liposomal systems as an encapsulating and/or delivery system to be used in food products. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.7995105CAPES (DEA/FEA/PROEX)CNPq [479459/2012-6, 140283/2013-7, 305477/2012-9]FAPESP [EMU2009/54137-1, 2007/54520-4]Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP

Uso de microrganismos livres e encapsulados na biorremediação de solos contaminados com óleo diesel

A disposição inadequada de resíduos domésticos e industriais implica na contaminação do solo, ar e recursos hídricos superficiais e subterrâneos, com graves conseqüências sobre os ecossistemas impactados. A biorremediação surgiu como uma tecnologia alternativa de remediação de locais contaminados com poluentes orgânicos e se baseia na utilização de populações microbianas que possuem a habilidade de modificar ou decompor determinados poluentes. Por ser um processo natural, promove um trata mento adequado e seu custo é relativamente baixo quando comparado a técnicas alternativas de tratamento de poluentes. O presente trabalho tem como objetivo estudar a biodegradação promovida pelo fungo filamentoso Aspergillus sp

Single-step microfluidic production of W/O/W double emulsions as templates for beta-carotene-loaded giant liposomes formation

We demonstrated the microfluidic production of W/O/W double emulsion droplets aiming formation of beta-carotene-incorporated giant liposomes for food and/or pharmaceutical applications. For this purpose, glass-capillary microfluidic devices were fabricated to create a truly three-dimensional flow aiming production of giant unilamellar liposomes by solvent evaporation process after W/O/W double emulsion droplet templates formation. A great challenge of microfluidic production of monodisperse and stable W/O/W double emulsion templates for this proposal is the replacement of organic solvents potentially toxic for phospholipids dissolution. Besides, the high cost of several semi-synthetic phospholipids commonly used for giant liposome formation remains as a major technological challenge to be overcome. Thus, beta-carotene-incorporated giant liposomes were generated using biocompatible solvents with low toxic potential (ethyl acetate and pentane) and non-purified soybean lecithin - a food-grade phospholipid mixture with low cost - by dewetting and evaporation of the solvents forming the oily intermediate phase of W/O/W double emulsion droplet templates. Our results showed monodisperse beta-carotene-loaded giant liposomes with diameter ranging between 100 mu m and 180 mu m and a stability of approximately 7 days. In this way, a single-step microfluidic process with highly accurate control of size distribution was developed. This microfluidic process proposed is potentially useful for a broad range of applications in protection and delivery of active compounds3662732CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ140283/2013-7; 305477/2012-9The authors would like to thank CNPq (140283/2013-7 and 305477/2012-9) and FAEPEX/UNICAMP (2146-16