Développement des systèmes d’encapsulation des composés naturels bioactifs pour application alimentaire

Ben Fadhel, Yosra (2020). Développement des systèmes d’encapsulation des composés naturels bioactifs pour application alimentaire Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 193 p.

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Résumé

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L’industrie de transformation des aliments est très florissante. La recherche de nouveaux produits est en constante évolution, parfois dans le but d'augmenter la diversité de la gamme offerte, de satisfaire un besoin des consommateurs, de réduire la quantité des ingrédients utilisés ou simplement de minimiser le coût des aliments. Dû au changement du rythme de vie dans la société Nord-Américaine et Européenne, plusieurs nouveaux produits tels que les aliments prêts-à-manger et prêts-à-cuire sont de plus en plus présents sur les rayons de l’épicerie. Cependant, ces produits ont une durée de conservation très courte et peuvent facilement être contaminés, principalement à cause des différentes étapes de transformation. De plus, avec la mondialisation de l'industrie alimentaire, les distances parcourues par ces produits sont augmentées, ce qui augmente les risques de contamination et de dégradation. De ce fait, les antimicrobiens d’origine naturelle peuvent être une solution. Ils sont efficaces et ont une bonne réputation chez les consommateurs. En revanche, plusieurs défis gouvernent leur utilisation; d’une part, leur arôme fort et d’autre part, leur sensibilité et instabilité au cours du temps. Dans ce contexte, le premier but de ce projet est de développer des formulations antimicrobiennes à base d’un mélange de différents antimicrobiens naturels. De cette façon, nous pouvons créer une synergie entre les antimicrobiens et nous pouvons également réduire la dose nécessaire de chacun d’entre eux. Le deuxième but de ce projet est de développer des formes d’encapsulation permettant une utilisation adéquate des antimicrobiens naturels afin d'améliorer leur stabilité pour une application alimentaire (carottes précoupées et pain).

Afin d’atteindre ces buts, nous avons d’abord évalué l’activité antibactérienne et antifongique de 17 antimicrobiens naturels, y compris 15 huiles essentielles (HE) et dérivés et 2 extraits de végétaux contre Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Enterococcus faecium, Bacillus subtilis, Escherichia coli O157:H7, Salmonella Typhimurium, Aspergillus flavus, Penicillium chrysogenum et Candida albicans. À partir des résultats obtenus, nous avons pu concevoir des formulations à base d‘HE d‘origan, de cannelle, de deux espèces de citronnelle (Cymbopogon winterianus Cymbopogon flexuosus nommées lemongrass et citronnelle) et d’un mélange commercial d’extraits de citrus aurantium amara et citrus reticulata (Biosecur F440D) pour les tests d’encapsulation. Nous avons ensuite développé différentes matrices d’encapsulation des formulations antimicrobiennes développées précédemment incluant nanoémulsion, nanoliposome et émulsion gélifiée et nous avons également caractérisé les capsules obtenues.

Les résultats ont montré une amélioration de l’activité antibactérienne in vitro lorsque la formulation antimicrobienne est encapsulée dans une nanoémulsion ou dans une émulsion gélifiée. Lorsqu’appliquée sur la matrice alimentaire, l’émulsion gélifiée et le nanoliposome semblent être les plus efficaces à contrôler la qualité microbienne du pain. Toutefois, l’utilisation de la pectine comme matrice d’encapsulation était particulièrement efficace à améliorer l’activité antimicrobienne de l’émulsion contre L. monocytogenes et P. chrysogenum sur les carottes précoupées et contre A. flavus et B. subtilis sur le pain. La nanoémulsion est également efficace ; cependant, l’activité antimicrobienne est rapidement perdue due principalement à une libération rapide et à une dégradation des composés bioactifs. De plus, nous avons démontré que le mécanisme d’encapsulation varie selon le caractère hydrophile ou hydrophobe des composés encapsulés. D’un côté, l’encapsulation d’une émulsion à base de Biosecur F440D (hydrophile) dans une matrice de pectine a été conduite principalement par des liaisons hydrogène et par une élongation –CH. D’un autre côté, l’encapsulation d’une émulsion à base d’HE (lipophile) dans la matrice de pectine a été conduite par une forte élongation asymétrique –CH3 dans les groupes alkyles. En outre, les nanoliposomes avaient plus d'affinité pour encapsuler les composés hydrophiles que ceux lipophiles. L'incorporation de ces deux composés dans les nanoliposome a été réalisée notamment par une déformation antisymétrique éthylique, une déformation symétrique méthyle, une élongation P-O-C et une élongation symétrique PO2.

L’application de tels systèmes d’encapsulation sur les matrices alimentaires était efficace à augmenter la durée de conservation des aliments testés et à contrôler les microorganismes d’altération sans affecter négativement les propriétés physicochimiques des aliments.

En résumé, cette thèse a été entreprise pour développer des systèmes d’encapsulation comestibles pour une application dans le domaine alimentaire. Compte tenu de l’amélioration de la stabilité des antimicrobiens naturels, de leur activité biologique et de leur impact sur l’augmentation de la durée de conservation et de la salubrité du pain et des carottes précoupées, il devrait être intéressant de considérer ces méthodes d’encapsulation comme techniques permettant la commercialisation de ces antimicrobiens au niveau industriel. Ceci devrait être d'un grand intérêt pour remplacer les antimicrobiens synthétiques hautement controversés.

Abstract

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The food processing industry is booming. The search for new products is constantly evolving, sometimes to increase the diversity of the offered range, to satisfy a consumer need, to reduce the quantity of ingredients used or simply to minimize the cost of food. Due to the change in the lifestyle in North American and European society, several new products such as ready-to-eat and ready-to-cook dishes are put on the shelves of the grocery stores. However, these products have a very short shelf-life and can easily be contaminated mainly due to the different processing steps. On the other hand, with the globalization of the food industry, the distances traveled by these products are increased, which increases the risks of contamination and degradation. Natural antimicrobials may be a solution. They are effective and well perceived by consumers. However, several challenges govern their use; especially their strong aroma and their sensitivity and instability. Therefore, the first goal of this work is to develop antimicrobial formulations based on a mixture of different natural antimicrobials. In this way, we can create a synergy between the antimicrobials and we can also reduce the necessary dose of each. The second goal of this work is to develop encapsulation forms allowing an adequate use of natural antimicrobials to improve their stability for food application (pre-cut carrots and bread).

The antibacterial and antifungal activities of 17 natural antimicrobials including 15 essential oils (EO) and derivatives and 2 plant extracts were evaluated against Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Enterococcus faecium, Bacillus subtilis, Escherichia coli O157: H7, Salmonella Typhimurium, Aspergillus flavus, Penicillium chrysogenum and Candida albicans. From the obtained results, formulations based on EO of oregano, cinnamon, two lemongrass species (Cymbopogon winterianus Cymbopogon flexuosus and named citronella and lemongrass respectively) and commercial mixture of citrus aurantium amara and citrus reticulata (Biosecur F440D) were developed for the encapsulation tests. The encapsulation of the antimicrobial formulations previously developed in different matrices including nanoemulsion, nanoliposome and gelled emulsion has been developed and the obtained capsules have also been characterized. The results showed an improvement in antibacterial activity in vitro, when the antimicrobial formulation was encapsulated in a nanoemulsion or in a gelled emulsion. When applied to the food matrix, the gelled emulsion and the nanoliposome seem to be the most effective for controlling microbial quality on bread. The use of pectin as an encapsulation matrix was particularly efficient to improve the antimicrobial activity of the emulsion against L. monocytogenes and P. chrysogenum on pre-cut carrots and against A. flavus and B. subtilis on bread. The nanoemulsion was also effective; however the antimicrobial activity was rapidly lost mainly due to rapid release and degradation of the bioactive compounds. Indeed, we demonstrated that the mechanism of encapsulation varies according to the hydrophilic or hydrophobic nature of the encapsulated compounds. On the one hand, the encapsulation of an emulsion based on Biosecur F440D (hydrophilic) in a pectin matrix was carried out mainly by hydrogen bonds and -CH stretching. On the other hand, when the emulsion is based on essential oils (lipophilic), encapsulation was carried out by a strong asymmetric stretching - CH3 in the alkyl groups. Moreover, nanoliposomes had more affinity to encapsulate hydrophilic compounds than lipophilic ones. The incorporation of both compounds in nanoliposome was carried out in particular by ethyl antisymmetric deformation, methyl symmetrical deformation, P-O-C stretch and PO2 symmetrical stretch.

The application of such encapsulation systems to food matrices was effective in increasing the shelf-life of food and controlling spoilage microorganisms without adversely affecting the physicochemical properties of the commodity.

In summary, this thesis was undertaken to develop edible encapsulation systems for food applications. Given the valuable improvement in the stability of natural antimicrobials, their biological activity and their impact on the application of shelf-life and the safety of bread and pre-cut carrots, it should be interesting to consider these encapsulation methods as techniques allowing the commercialization of these antimicrobials at the industrial level. This should be of great interest to replace the highly controversial synthetic antimicrobials.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Lacroix, Monique
Mots-clés libres:	Microencapsulation; nanotechnologie; nanotechnology; nanoémulsion; nanoemulsion; nanoliposome; biopolymère; pathogènes alimentaires; qualité des aliments; Légumes prêts à manger; produit de boulangerie; contamination; durée de conservation; biopolymer, food pathogens, food quality; Ready-to-eat vegetables; bakery product; contamination; shelf-life
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	06 oct. 2022 15:08
Dernière modification:	06 oct. 2022 15:08
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/11192

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