Ο σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η παρασκευή νανοσωματιδίων από μείγματα πρωτεϊνών και πολυσακχαρίτη με τη μέθοδο του ηλεκτροψεκασμού και η ενθυλάκωση βιοενεργών συστατικών σε αυτά. Πιο συγκεκριμένα για να παρασκευαστούν τα δείγματα χρησιμοποιήθηκε υπερσυμπύκνωμα πρωτεϊνών ορρού (WPI) και ο πολυσακχαρίτης βακτηριακή κυτταρίνη (BC). Τα διαλύματα που παρασκευάστηκαν με τα βιοπολυμερή σε συγκεντρώσεις (1-16% κβ) ΒC, (10-30% κβ) WPI και 5%κβ Tween 20 για όλα τα δείγματα. Η επιφανειακή τάση των διαλυμάτων αυξανόταν όσο αυξανόταν και η συγκέντρωση της BC χωρίς η συγκέντρωση της WPI να επηρεάζει το αποτέλεσμα. προσθήκη της BC ήταν αυτή που επηρέασε περισσότερο το ζ-δυναμικό των διαλυμάτων το οποίο όσο αυξανόταν η συγκέντρωση της BC μειωνόταν
Αρχικά παρασκευάστηκαν διάφορα μείγματα που περιείχαν διαφορετικές συγκεντρώσεις των δύο βιοπολυμερών, δηλαδή της WPI και της BC. Στα διαλύματα αυτά έγιναν μετρήσεις σε ιδιότητές τους οι οποίες επηρεάζουν τη μέθοδο του ηλεκτροψεκασμού και τα αποτελέσματα. Οι ιδιότητες οι οποίες εξετάστηκαν ήταν το ιξώδες και το επιφανειακό ιξώδες, η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η επιφανειακή τάση και το ζ- δυναμικό. Κάποιες από αυτές τις ιδιότητες σε αρκετά διαλύματα ήταν σχετικά ίδιες. Η προσθήκη της BC ήταν αυτή που επηρέασε περισσότερο το ζ-δυναμικό των διαλυμάτων το οποίο όσο αυξανόταν η συγκέντρωση της BC μειωνόταν. Το ιξώδες και το επιφανειακό ιξώδες των διαλυμάτων αυξανόταν επίσης με την αύξηση της BC. Η μελέτη των επιφανειακών ιδιοτήτων των διαλυμάτων βοήθησε στην πρόβλεψη του σχηματισμού ομοιογενών σωματιδίων. Τα σωματίδια που παρασκευάστηκαν μελετήθηκαν με το SEM και σε όλες τις περιπτώσεις των διαλυμάτων φάνηκε να έχουν σφαιρική δομή με τη διάμετρο τους να είναι σε κλίμακα νανομέτρων από 120 εως 380 nm.Αφού παρασκευάστηκαν επιτυχώς τα εδώδιμα νανοσωματίδια, βάσει των ιδιοτήτων του επιλέχθηκε το βέλτιστο δείγμα για την ενθυλάκωση της κατεχίνης. Έτσι με την ίδια μέθοδο παρασκευάστηκε το δείγμα με τα βιοπολυμερή σε συγκεντρώσεις 8%κβ ΒC, 20%κβ WPI και 5%κβ Τween 20 και προστέθηκε σε αυτό η EGCG. Δημιουργήθηκαν δείγματα με 0,1 και 0,2 mg EGCG/ml διαλύματος.
Στη συνέχεια επαληθεύτηκε η διαδικασία του ηλεκτροψεκασμού όπου ο ρυθμός ροής του διαλύματος στο σύστημα του ηλεκτροψεκασμού ήταν 42±3 μl/h και το ηλεκτρικό πεδίο ήταν ρυθμισμένο στα 19,4±2 kV.
Η απόσταση του ακροφύσιου από τον συλλέκτη ήταν στα 13 cm και η διαδικασία έγινε σε συνθήκες περιβάλλοντος. Στα δείγματα που παράχθηκαν έγιναν μελέτες ως προς το μέγεθος των σωματιδίων με το ζ-sizer και ως προς το ποσοστό ενσωμάτωσης της EGCG σε αυτά με το φωτόμετρο. Στη συνέχεια όλα τα δείγματα αποθηκεύτηκαν σε διαφορετικές συνθήκες pH, υγρασίας και θερμοκρασίας και έγιναν μετρήσεις στο μέγεθος των νανοσωματιδίων και στην απελευθέρωση της EGCG σε διάφορους χρόνους αποθήκευσης μέχρι το πέρας της 45ης ημέρας. Την πρώτη μέρα της παρασκευής των νανοσωματιδίων τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το μέγεθος τους αυξήθηκε λόγω της παρουσίας της EGCG σε αυτά. Το ποσοστό ενσωμάτωσης της EGCG ήταν στο 51% για το δείγμα 0,1 EGCG και στο 30% για το δείγμα 0,2 EGCG.
Στις μετρήσεις που έγιναν για τα νανοσωματίδια τα οποία είχαν αποθηκευτεί σε ρυθμιστικά διαλύματα με διαφορετικά pH αυτό που παρατηρήθηκε ήταν η αύξηση του μεγέθους τους στο όξινο pH με τιμή 3 σε μεγαλύτερο ποσοστό σε σχέση με τα νανοσωματίδια που αποθηκεύτηκαν στα διαλύματα με pH 6 και 9. Τα ποσοστά της εναπομένουσας EGCG ήταν μικρότερα στο όξινο pH και όσο αυξανόταν οι τιμές αυξανόταν και το ποσοστό αυτό. Το φαινόμενο αυτό ίσως να οφείλεται στη συμπεριφορά του μείγματος της WPI με τη BC στις διάφορες τιμές pH. Οι μετρήσεις που έγιναν στην περίπτωση που τα νανοσωματίδια παρέμειναν αποθηκευμένα σε διάφορες τιμές υγρασίας (20%, 40%, 60% και 80%) έδειξαν να έχουν αλλαγές στο μέγεθος τους αλλά και στα ποσοστά απελευθέρωσης του βιοενεργού συστατικού. Η αύξηση της διαλυτότητας της BC κατά την παραμονή της σε υδατικά διαλύματα προκάλεσε και την αύξηση του μεγέθους των νανοσωματιδίων όσο αυξανόταν και το ποσοστό της υγρασίας. Όσο αυξανόταν επίσης η υγρασία μειωνόταν και το ποσοστό παραμονής της ενθυλακωμένης EGCG επιβεβαιώνοντας έτσι και την αύξηση διαλυτότητας του συστήματος σε αυξημένα ποσοστά υγρασίας. Στις αντίστοιχες μετρήσεις που έγιναν για τις αλλαγές στο μέγεθος των νανοσωματιδίων κατά την παραμονή τους σε διάφορες θερμοκρασίες παρατηρήθηκαν οι μεγαλύτερες αλλαγές.
Η διάμετρος των νανοσωματιδίων αυξανόταν όσο αυξανόταν και η θερμοκρασία του νερού στο οποίο διαλύθηκαν. Επίσης τα ποσοστά της απομένουσας EGCG στα νανοσωματίδια ήταν πολύ μικρά και η EGCG απελευθερώθηκε σε πολύ μεγάλο ποσοστό σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Τα αποτελέσματα αυτά αποδίδονται στο γεγονός ότι η EGCG αλλά και η WPI είναι θερμικά ευαίσθητες και κατά την έκθεση τους σε μεγάλες θερμοκρασίες κατακρημνίζονται.
The main purpose of this research was the production of nanoparticles from protein and polysaccharide samples, through the electro spinning process as well as the encapsulation of the bioactive ingredients stored in them. More specifically, in order to produce these samples, Whey Protein Isolate (WPI) was used as well as Bacterial Cellulose Polysaccharide (BC). The produced solutions with the biopolymers were in concentrations as (1-16% wt) BC, (10-30% wt) WPI and 5% wt Tween 20 for all these samples. The surface tension of the solutions increased when the BC concentration increased too, without the WPI concentration affecting the result. It was the BC addition that affected the z-force of the solutions, which was increasing when the BC concentration was decreasing.
At first, plenty of samples were produced containing different concentrations of the two biopolymers, WPI and BC. There were plenty of measurements to the samples’ characteristics that can affect the electrospinning process and the outcome. The characteristics that were examined were such as the viscosity and interfaciall viscosity, electrical conductivity, surface tension and the ζ-potential. Some of these characteristics were quite the same in most of the solutions. The BC addition affected the most the ζ-potential of the solutions, which decreased when the BC concentration increased. The viscosity and the interfacial viscosity of the solutions also increased with the BC addition. It took an extended research on the surface characteristics of these solutions that helped to predict the homogeneous particle shaping. The produced particles were deliberated with the Scanning Electron Microscope (SEM), and in all cases seemed to have a spherical structure, and their diameter being up to 120-380nm of the nanometer scale. After being successfully produced, the edible nanoparticles, according to their characteristics, the optimum sample was chosen for the encapsulation of the catehine. The same method was followed to produce the biopolymer sample, having concentrations up to 8%wt BC, 20%wt WPI and 5%wt Tween 20 in which Epigallocatehin Gallate (EGCG) was added. Samples were created with 0.1 and 0.2 mg EGCG/ml of solutions. Moreover, the electrospinning process was verified, as the flow rate of the solution in the electro spinning process was 42±3 ml/h and the electric field was regulated at 19.4± 2 KV. The nozzle’s distance from the collector was 13cm and the process took place in ambient conditions.
The produced samples went under researches for their particles’ size, using the z-sizer, and the EGCG concentrate percentage using the spectrophotometer. All of the samples were afterwards stored in different pH conditions, humidity and temperature, and then measurements followed to the size of the nanoparticles as well as the EGCG release, in different storage time after day 45. After the first day of producing nanoparticles, results showed that their size had increased due to the EGCG presence. The concentration percentage of the EGCG in these samples was up to 51% in the sample 0.1 EGCG, and up to 30% in the sample 0.2 EGCG.
According to the measurements performed in the nanoparticles which were stored in buffer solutions with different pH, they were observed to have an increase of their size in the acid pH in scale 3 in a higher percentage than the nanoparticles stored in solutions with a higher pH 6 and 9. The remaining percentage of the EGCG concentration was smaller in the acid pH and as these values increased the percentage increased as well. This phenomenon might be a result of the WPI mixture’s conduction with the BC through the different pH values. The performed calculations that took place in case the nanoparticles remained stored in different values of humidity (20%, 40%, 60% and 80%) showed that they were different according to their size and also in the release percentage of the bioactive component. The increase of the BC solubility during its storage in aqueous solutions caused the increase of the nanoparticles’ size as the humidity percentage increased as well. Furthermore, as humidity increased, the percentage of the encapsulated EGCG’s residence decreased, proving the increase of the system’s solubility in high humidity percentages. In relevant measurements performed for the nanoparticles’ size change, during their storage in different temperature conditions bigger differences were spotted.
The diameter of the nanoparticles increased as the water temperature they dissolved in increased as well. Also the remaining of the EGCG percentage in the nanoparticles, was really low and EGCG was released in a very high percentage but at the same time in a very short notice. These results are due to the fact that EGCG and WPI are heat-sensitive and by exposing them in high temperatures they collapse.