Oil nanoencapsulation:pengembangan, aplikasi, dan penggabungan ke dalam pasar makanan

Pengantar

Minyak memiliki peran penting dalam nutrisi manusia. Selain menyediakan kalori, mereka bertindak sebagai pembawa vitamin yang larut dalam lemak, seperti A, D, E, dan K. Minyak juga merupakan sumber asam lemak esensial, seperti asam linoleat, linolenat, dan arakidonat, dan mereka berkontribusi terhadap kelezatan makanan. Komponen minyak yang paling ekspresif adalah trigliserida, dan sifat fisik trigliserida ini bergantung pada struktur dan distribusi asam lemak yang ada [1,2,3,4].

Sekitar 90% produksi minyak nabati berasal dari pengolahan benih dan ditujukan untuk konsumsi manusia. Di industri, permintaan pasar akan minyak dari berbagai sumber alam meningkat, terutama dalam aplikasi makanan untuk formulasi produk seperti kue, biskuit, roti, margarin, dan produk susu dan untuk digunakan dalam gorengan, di antara aplikasi lain [5, 6].

Sisa 10% dari produksi minyak ditujukan untuk produksi pakan ternak dan digunakan dalam beberapa proses industri, seperti bahan baku pembuatan fungisida, sabun, deterjen, sabun, pelembut biodegradable, kosmetik, dan biodiesel [5].

Mempertimbangkan pentingnya nutrisi dan ekonomi dari minyak nabati, telah ada minat yang berkembang dalam beberapa tahun terakhir dalam teknologi modifikasi minyak ini. Teknologi modifikasi semakin dipelajari untuk mengubah karakteristik oli dan membuatnya cocok untuk aplikasi tertentu. Para peneliti telah menemukan berbagai teknologi untuk meningkatkan kualitas dan keamanan pangan. Keterlibatan nanoteknologi dalam industri makanan telah menghasilkan produksi makanan dengan stabilitas termal yang lebih baik, kelarutan yang lebih baik, dan tingkat bioavailabilitas oral yang lebih tinggi [7].

Nanoteknologi telah disarankan untuk berdampak positif pada bidang ilmu pangan dengan meningkatkan masa simpan produk makanan, memungkinkan metode pelacakan dan penelusuran kontaminan yang lebih baik, menciptakan strategi penyimpanan makanan yang lebih baik, dan memajukan penggabungan suplemen kesehatan atau agen antibakteri ke dalam makanan. Dengan demikian, nanoteknologi memang sangat berkontribusi terhadap ilmu pangan [7].

Nanoteknologi telah menjadi salah satu teknologi yang paling menjanjikan untuk merevolusi ilmu pangan konvensional dan industri pangan. Pemrosesan dan pengemasan berbantuan nanoteknologi telah membuktikan pentingnya nanoteknologi dalam sistem pangan. Teknologi preparasi yang berbeda dapat menghasilkan nanopartikel dengan sifat fisik yang berbeda; dengan demikian, partikel ini dapat digunakan dalam makanan [8, 9].

Enkapsulasi adalah proses di mana tetesan lipid bioaktif dipulihkan oleh kerak atau tertutup dalam matriks heterogen atau homogen untuk membuat kapsul kecil [3] dari skala nano [10] dengan ukuran kurang dari 1000 nm, nanometer menjadi sepersejuta satu meter [ 11]; enkapsulasi memiliki banyak sifat yang berguna [3]. Menurut Gonnet et al. [12], enkapsulasi adalah pendekatan potensial dalam melestarikan sifat minyak alami/asli dari waktu ke waktu. Sistem klasik yang dikembangkan dalam nano atau mikroenkapsulasi didasarkan pada reservoir atau partikel matrisida.

Selain manfaatnya, nanoenkapsulasi dicirikan dengan meningkatkan bioavailabilitas zat aktif yang dienkapsulasi dan melindunginya dari efek alami dan pemrosesan, seperti efek kimia [13, 14], efek enzimatik, dan ketidakstabilan fisik yang terlihat selama pemrosesan fungsional. , produk nutraceutical [13], farmasi, dan kosmetik [3] [10]. Enkapsulasi juga merupakan sarana untuk meningkatkan efisiensi biologis, seperti kontrol pengiriman komponen aktif dan umur simpan, dan dapat mencegah munculnya efek samping [12].

Enkapsulasi minyak dapat mencegah atau memperlambat reaksi oksidasi, mengingat sistem ini dapat merupakan penghalang fisik-kimiawi terhadap unsur-unsur prooksidan seperti oksigen, radikal bebas, atau radiasi ultraviolet (UV) [12, 15] dan memperluas jangkauan komoditas pangan yang ditujukan untuk tujuan pengayaan. Enkapsulasi minyak bioaktif, misalnya, mewakili pendekatan yang efisien dan layak dalam modifikasi pelepasan minyak, perlindungan dari reaksi oksidasi lingkungan, peningkatan stabilitas fisik, penurunan volatilitas, pengurangan toksisitas, peningkatan bioaktivitas, dan peningkatan kepatuhan dan kenyamanan pasien [3]. Secara khusus, dalam industri makanan, teknologi ini meningkatkan kualitas makanan olahan seperti retensi rasa, antioksidan, masa simpan, warna, dan bau; memperpanjang waktu penyimpanan produk makanan; dan melindungi bahan dari lingkungan, mengurangi kehilangan rasa selama pengawetan, dan mengendalikan pelepasan zat bioaktif [16].

Banyak teknik yang diterapkan untuk enkapsulasi. Secara umum, tiga metode digunakan dalam enkapsulasi agen bioaktif:(a) struktur penghalang dibuat di sekitar agen enkapsulasi; (b) bahan yang terkontaminasi ditolak masuk; dan (c) agen yang dienkapsulasi diatur untuk perlindungan terhadap kerugian yang tidak diinginkan [17].

Dalam banyak kasus, nanoenkapsulasi dimulai dengan produksi nanoemulsi, yang merupakan sistem yang dibentuk oleh fase minyak dan air; nanoenkapsulasi diemulsi melalui penggunaan, dalam banyak kasus, pengemulsi. Selain itu, nanoemulsi terbentuk dengan ukuran tetes yang kecil dan luas permukaan yang tinggi [18]. Sifat tersebut memberi mereka keuntungan potensial dibandingkan emulsi konvensional, seperti stabilitas fisik yang baik dan bioavailabilitas yang lebih tinggi [19]. Beberapa teknik yang dipelajari untuk mendapatkan nanoemulsi minyak dan nanoenkapsulasi minyak antara lain nanopresipitasi, pengeringan semprot, gelasi ionik, pengendapan antar muka polimer yang dibentuk sebelumnya, difusi emulsi, penguapan pelarut emulsi, penggunaan liposom, homogenisasi geser tinggi (mikrofluidisasi), emulsifikasi spontan , dan pembawa lipid berstruktur nano (NLC).

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mensurvei potensi dan aplikasi enkapsulasi minyak saat ini di industri makanan, menggambarkan manfaat utama dan peluang untuk inovasi dan juga mempertimbangkan tantangan masa depan, termasuk produk saat ini di pasar makanan dan aplikasi paten. Produk minyak nanoenkapsulasi baru dan aplikasi paten menjanjikan penggunaan minyak di berbagai sektor industri. Selanjutnya, mikro dan nanoenkapsulasi dapat meningkatkan (a) pengurangan penguapan atau laju transfer bahan inti ke lingkungan luar; (b) perlindungan bahan inti dari degradasi dengan pengurangan reaktivitas terhadap lingkungan luar; (c) pengendalian laju pelepasan material inti, baik secara perlahan seiring waktu atau pada waktu tertentu; (d) modifikasi karakteristik fisik bahan asli untuk memudahkan penanganan; (e) menutupi rasa yang tidak diinginkan atau rasa dari bahan inti; (f) pemisahan komponen campuran yang sebaliknya akan bereaksi satu sama lain; dan (g) pengenceran bahan inti ketika hanya sejumlah kecil yang diperlukan untuk mencapai dispersi yang seragam dalam bahan induk [17].

Nanoenkapsulasi Umum dari Nanopartikel Koloid

Sintesis nanopartikel dan struktur nano lainnya telah mendapat perhatian yang cukup besar dalam beberapa tahun terakhir karena sifat-sifatnya, seperti sifat optik, mekanik, dan kimia, sangat bergantung pada ukuran, struktur geometris, dan komponennya, yang sangat berbeda dengan material curah. 20, 21].

Nanopartikel adalah partikel koloid. Dua jenis sistem pengiriman koloid yang paling umum dengan partikel yang cukup kecil untuk mencapai transparansi optik adalah mikroemulsi dan nanoemulsi. Kedua sistem mengandung partikel kecil (d < 200 nm). Salah satu keuntungan utama nanoemulsi dibandingkan mikroemulsi adalah mereka membutuhkan lebih sedikit surfaktan untuk membentuknya. Nanoemulsi food grade dapat dibentuk dengan metode energi tinggi (seperti homogenisasi tekanan tinggi atau sonikasi) atau metode energi rendah (seperti suhu inversi fase, emulsifikasi spontan, atau inversi fase emulsi) [22].

Partikel koloid dapat diproduksi untuk berbagai aplikasi, seperti aplikasi dalam logam [20], biomedis [23], medis [24], sensor [25], optik [25], penyedap, minuman, repellent, wewangian, dan produk kosmetik; digunakan untuk sifat obat [26], makanan [22], dan digunakan dalam minyak esensial (EO) untuk tujuan yang berbeda [27, 28].

Sistem pengiriman koloid, termasuk emulsi, dapat dirancang untuk menggabungkan asam lemak tak jenuh ganda (PUFA) ke dalam lingkungan berair untuk meningkatkan stabilitas oksidatif sistem. Sebagian besar sistem pengiriman berbasis emulsi ini mengandung partikel yang memiliki dimensi yang mirip dengan panjang gelombang cahaya, dan oleh karena itu mereka menghamburkan cahaya dengan kuat, menyebabkan kekeruhan atau opasitas yang tinggi. Untuk aplikasi tertentu, adalah menguntungkan untuk menggunakan sistem pengiriman transparan sehingga dapat dimasukkan ke dalam produk makanan atau minuman yang bening secara optik, seperti beberapa air yang diperkaya, minuman ringan, dan dressing [22].

Mengenai minuman ringan, Ziani et al. [29] membentuk dispersi koloid yang mengandung minyak lemon, surfaktan nonionik (Tween 80), dan buffer (pH 2,6). Studi ini memberikan informasi yang berguna untuk desain rasional sistem pengiriman koloid food grade untuk enkapsulasi minyak rasa dan lipid fungsional lainnya dalam makanan dan minuman.

Nanopartikel lipid padat (SLN) telah mendapatkan perhatian yang meningkat di industri farmasi dan makanan karena kemampuannya untuk mengatasi kekurangan mikrokapsul dan sistem pembawa koloid skala nano yang disebutkan sebelumnya. SLN adalah generasi terbaru dari sistem enkapsulasi skala nano, menggabungkan keunggulan yang diberikan dari nanoemulsi cair induk atau mikroemulsi kecepatan disolusi tinggi terkait dengan permeabilitas tinggi senyawa aktif melalui dinding usus dengan solusi simultan untuk masalah yang ada terkait dengan fisik dan stabilitas kimia dari senyawa yang dienkapsulasi dan kemudahan penanganan [30].

Nanopartikel lipid dengan matriks partikel padat diturunkan dari emulsi O/W (minyak/air) dengan penggantian lipid cair (minyak) dengan lipid padat. Lipid ini biasanya merupakan lipid fisiologis (biokompatibel) dengan toksisitas rendah [3]. SLN terdiri dari lipid yang padat pada suhu kamar dan suhu tubuh. Keuntungan utama SLN adalah efisiensi enkapsulasinya yang tinggi, kemungkinan dalam produksi skala besar, fleksibilitasnya dalam profil pelepasan terkontrol karena matriks padat, dan kemampuannya yang tinggi untuk mencapai organ target. Namun, SLN dapat mengkristal, memungkinkan ruang yang sangat kecil untuk penggabungan minyak dan, dengan demikian, kapasitas pemuatan yang rendah [31]. Diameter nanopartikel lipid dapat berkisar antara 50 nm dan 1 m [3]. SLN memiliki beban enkapsulasi yang rendah dan kemungkinan meledak selama penyimpanan [31].

Nanokapsul minyak dedak padi disintesis menggunakan poli(ε-kaprolakton) (PCL) sebagai bahan dinding untuk mengevaluasi efek perlindungannya terhadap cedera kulit akibat radiasi UVB pada tikus, dan penulis menyimpulkan bahwa nanokapsul dedak padi (200 nm, potensi zeta 9 mV dan indeks polidispersitas (PDI) yang rendah < 0.2) menghambat 60% edema yang disebabkan oleh penyinaran UVB [32].

Oehlke dkk. [33] menyiapkan SLN dengan asam ferulat (FA) dan tokoferol (Toc). Formulasi yang berbeda, mengandung hingga 2,8 mg g ⁻¹ FA atau Toc, stabil setidaknya selama 15 minggu penyimpanan pada suhu kamar. Penulis menyimpulkan bahwa SLN ini cocok sebagai bahan tambahan makanan di mana pelepasan bertahap senyawa aktif dapat bermanfaat.

Tren dalam Nanoenkapsulasi Minyak

Banyak publikasi dari 20 tahun terakhir berisi 4 istilah nanoenkapsulasi, nanoemulsion, nanopartikel, dan nanoteknologi (Gbr. 1). Namun, sebelum tahun 2000-an, artikel yang memuat keempat istilah ini mengenai penelitian dalam aplikasi minyak dan makanan yang dimulai pada akhir tahun 1990-an merupakan kurang dari 2% dari publikasi yang diperiksa, menjadikan topik ini sebagai sektor kecil nanoteknologi (Gbr. 1).

Jumlah publikasi nanoenkapsulasi, nanoemulsi, nanopartikel, dan nanoteknologi per tahun dalam database Scopus menggunakan kata kunci berikut:a nanoenkapsulasi, nanoemulsi, nanopartikel, dan nanoteknologi; b nanoenkapsulasi dan minyak, nanoemulsi dan minyak, nanopartikel dan minyak, dan nanoteknologi dan minyak; dan c nanoenkapsulasi dan makanan dan minyak, nanoemulsi dan makanan dan minyak, nanopartikel dan makanan dan minyak, dan nanoteknologi dan makanan dan minyak

Istilah nanoteknologi digunakan dalam banyak publikasi sebagai istilah yang lebih umum (Gbr. 2). Saat menggunakan kombinasi istilah ini dan "minyak" (Gbr. 1b), peningkatan publikasi yang melibatkan istilah "partikel nano" diamati. Jumlah publikasi yang melibatkan "nanoemulsion" dan "minyak" telah meningkat secara signifikan sejak 2010, baik di bidang umum maupun yang terkait dengan makanan (Gbr. 1b).

Skema definisi nanoenkapsulasi yang biasa digunakan untuk minyak

Meskipun ada jauh lebih banyak publikasi yang melibatkan "nanopartikel" dan "nanoteknologi" (Gbr. 1a), enkapsulasi adalah istilah yang paling tepat digunakan untuk menggambarkan pengemasan zat menjadi partikel mikro dan nano dan didefinisikan sebagai proses yang melibatkan satu zat, disebut sebagai "agen aktif", dalam produk lain yang disebut sebagai "bahan dinding" [34,35,36].

Sebagian besar publikasi tentang nanoenkapsulasi minyak menggunakan istilah "nanoenkapsulasi" [2, 37,38,39,40,41,42] atau "nanoemulsi" [10, 43,44,45,46,47,48]. Beberapa penulis menggunakan istilah "nanokapsul" [49,50,51], dan yang lain menggunakan "partikel nano" [35, 41]. Namun, kedua istilah tersebut awalnya berarti "nanoenkapsulasi" (Gbr. 2), yang telah digunakan dalam arti luas, yang mencakup baik nanokapsul maupun pembentukan nanopartikel [52].

Istilah "partikel nano" adalah nama kolektif untuk kedua nanospheres dan nanocapsules [17]. Nanokapsul memiliki membran polimer dengan inti cair, di mana senyawa aktif terbatas pada rongga yang terdiri dari inti cair bagian dalam yang dikelilingi oleh membran polimer (struktur cangkang inti dapat lipofilik atau hidrofilik) [3, 17]. Di sisi lain, nanosfer dapat didefinisikan sebagai fragmen koloid padat di mana kompos bioaktif tersebar, ditangkap, dienkapsulasi, dan dirantai secara kimia atau diadsorpsi ke dalam matriks polimer. Matriks polimer membentuk matriks berpori atau padat, dan inti kemungkinan dapat berubah menjadi bahan padat dengan mengandalkan struktur kopolimer [3, 53]. Nanopartikel biasanya dilapisi dengan surfaktan nonionik untuk mengurangi interaksi imunologis dan membantu mengurangi interaksi molekuler dari gugus kimia pada permukaan partikel (van der Waals, ikatan hidrogen, atau interaksi hidrofobik). Penyerapan nanopartikel intraseluler lebih tinggi daripada sistem enkapsulasi lainnya. Menurut metodologi yang diterapkan, nanokapsul dapat bertindak sebagai pembawa bahan aktif yang tertahan ke membran bagian dalam polimer. Minyak yang dilepaskan dari sistem ini dapat diangkut dari nanopartikel ke jaringan target melalui desorpsi, difusi, atau erosi [3].

Nanoemulsion adalah awal dari nanoenkapsulasi, sebuah sistem yang dibentuk oleh fase berminyak dan fase air dan emulsifikasi fase ini melalui penggunaan pengemulsi. Selain itu, nanoemulsi terbentuk dengan ukuran tetesan kecil dan luas permukaan yang tinggi [10, 18, 37, 54]. Sifat tersebut memberi mereka keuntungan potensial dibandingkan emulsi konvensional, seperti stabilitas fisik yang baik dan bioavailabilitas yang lebih tinggi [10, 19].

Definisi nanoteknologi pertama dibahas pada tahun 1959 oleh fisikawan terkenal Richard Feynman dalam ceramahnya Ada Banyak Ruang di Bawah , di mana ia menggambarkan kemungkinan sintesis melalui manipulasi atom langsung. “Nanoteknologi” pertama kali digunakan oleh Norio Taniguchi pada tahun 1974. Nanoteknologi muncul sebagai bidang pada tahun 1980-an, dan sejak saat ini, telah terjadi peningkatan dalam publikasi ilmiah dan kesadaran di bidang tersebut; penelitian di bidang ini diintensifkan pada tahun 2000-an (Gbr. 1), seperti halnya perhatian ilmiah, politik, dan komersial, yang mengarah pada kontroversi dan kemajuan. Selanjutnya, komersialisasi produk berdasarkan kemajuan teknologi skala nano mulai muncul [55].

Nanoteknologi adalah bidang multidisiplin yang mencakup berbagai macam bahan, proses, dan aplikasi dan mencakup ilmu kimia, fisik, biologi, elektronik, dan teknik. Ini berfokus pada fabrikasi, karakterisasi, dan eksperimen zat pada rentang skala nano, hampir antara 1 dan 100 nm. Ukuran partikel minimum, dalam kaitannya dengan luas permukaan pertumbuhan, menunjukkan sifat unik dan baru dan menciptakan potensi besar untuk penggunaan teknologi [55,56,57].

Nanoteknologi dapat memajukan strategi untuk stabilitas termal dan penyimpanan, kelarutan dalam air dan zat bioaktif, meningkatkan ketersediaan hayati untuk penggunaan makanan, dan meningkatkan sifat makro makanan, seperti rasa, tekstur, proses industri, dan kekuatan pewarnaan [58]. Perusahaan makanan besar telah menggunakan departemen penelitian mereka sendiri untuk merancang strategi penerapan nanoteknologi dalam makanan fungsional [59].

Aplikasi Nanoenkapsulasi Minyak Kondisi Saat Ini

Pertumbuhan disiplin makanan dikuantifikasi pada Gambar 1b, c sebagai jumlah agregat publikasi yang mengandung kata kunci "makanan" dan "minyak" dan "nanoenkapsulasi," "nanoemulsi," "partikel nano," atau "nanoteknologi" dalam abstrak mereka; informasi ditampilkan sebagai fungsi dari tahun penerbitan. Seperti yang ditunjukkan oleh tren pada Gambar 1, sebagian besar pertumbuhan di bidang nanoteknologi makanan terjadi setelah tahun 2010 karena banyaknya studi nanoteknologi pada akhir tahun sembilan puluhan dan pertumbuhan aditif food grade yang sesuai untuk proses nanopartikel. Aplikasi nanoenkapsulasi minyak industri dirangkum dalam Tabel 1.

Saat ini, produk nanoteknologi dalam industri makanan mencapai nilai US$1 miliar (kebanyakan terdiri dari pelapis nanopartikel untuk produk promosi kesehatan, teknologi pengemasan, dan draft), dan berpeluang meningkat lebih dari US$20 miliar dalam 10 tahun ke depan. . Banyak ulasan menunjukkan ringkasan yang sangat baik dari kelompok penelitian dan organisasi swasta dan publik yang telah memimpin bidang nanoteknologi pangan [11, 13, 60].

Meskipun sejumlah ulasan [11, 13, 55, 60, 61] telah membahas investasi nanoteknologi makanan dan aplikasi nanoteknologi yang muncul untuk produksi primer, tidak ada ulasan yang membahas nanoenkapsulasi minyak ketika mempertimbangkan minyak sebagai bahan yang dienkapsulasi. Selain itu, banyak ulasan tentang aplikasi nanoteknologi [13, 53, 55, 61,6263,64,65,66,67,68], dan sebagian besar fokus pada nanoteknologi dalam aplikasi makanan [13, 52, 55, 61,62,63,64,65,66,67,68].

Dalam industri makanan, proses mikroenkapsulasi dapat digunakan untuk berbagai alasan, yang telah diringkas oleh Desai dan Park [4] sebagai berikut:(a) bahan inti dilindungi dari degradasi dengan mengurangi responsnya terhadap lingkungan eksternal; (b) laju penguapan atau perpindahan bahan utama ke lingkungan luar berkurang; (c) karakteristik fisik bahan asli dimodifikasi untuk memudahkan penanganan; (d) pelepasan bahan inti disesuaikan agar terjadi secara perlahan dari waktu ke waktu atau pada waktu tertentu; (e) rasa atau rasa yang tidak diinginkan dari bahan inti ditutupi; (f) dispersi yang sama dalam bahan penjaga tercapai; dan (g) komponen campuran yang akan bereaksi satu sama lain dipisahkan. Aplikasi ini juga cocok untuk nanoenkapsulasi minyak. Ricaurte dkk. [10] dan Campo et al. [37] mempelajari minyak sawit oleat tinggi (HOPO) dan minyak biji chia dengan tujuan yang berbeda. Studi pertama bertujuan untuk menemukan mikrofluidisasi, pembentukan, dan kondisi penyimpanan yang paling menguntungkan untuk nanoemulsi yang diperoleh dari HOPO dan studi kedua menjanjikan alternatif untuk melindungi minyak terhadap oksidasi lipid dan meningkatkan kelarutan dan stabilitas (Tabel 1).

Cushen dkk. [9] menegaskan bahwa pernyataan di atas bahwa mikroenkapsulasi makanan sudah mapan; minyak ikan mikroenkapsulasi telah diterapkan dalam roti untuk manfaat sehat fungsional. Proses mikroenkapsulasi menutupi rasa tidak enak dari minyak ikan, dan roti ini sudah layak dipasarkan. Nanoenkapsulasi dan penambahan senyawa dalam industri makanan merupakan perkembangan logis dari teknologi [2, 68]. Selanjutnya, reaksi oksidasi, proses kerusakan utama lemak, minyak, dan makanan berbasis lipid, mengakibatkan penurunan nilai gizi dan kualitas sensorik, dan nanoenkapsulasi minyak mendorong pengurangan oksidasi melalui pembentukan penghalang pelindung yang terbentuk selama proses nanoenkapsulasi, seperti dinyatakan sebelumnya [2].

Dalam ulasan mereka, Walker, et al. [47] menyoroti janji menggunakan nanoemulsions untuk enkapsulasi, keamanan, dan pelepasan asam lemak omega-3. Sistem pembawa ini dapat digunakan dalam industri makanan dalam minuman dengan lipid bioaktif ini dan untuk memperkuat makanan, atau dapat digunakan dalam industri suplemen atau farmasi untuk meningkatkan bioaktivitas komposisi asam lemak omega-3 fungsional.

Sozer dan Kokini [67] menyederhanakan penggunaan nanoteknologi dalam industri makanan dan pengemasan makanan. Jenis manfaat makanan termasuk perlindungan terhadap oksidasi; pelepasan terkontrol dari bahan yang dienkapsulasi (kelembaban atau pH); uji penyamaran; pengiriman zat gizi nanoenkapsulasi, vitamin, dan rasa; deteksi patogen dalam sistem pangan; keamanan makanan; dan analisis kualitas. Beberapa aplikasi pengemasan makanan termasuk pengemasan yang ditingkatkan (penghalang gas dan kelembaban, kekuatan tarik); perpanjangan masa simpan melalui pengemasan aktif, aditif nano, pengemasan cerdas, pengiriman nutraceutical, dan pelepasan terkontrol; efek antibakteri dari kemasan yang dapat membersihkan sendiri; dan pemantauan kondisi produk selama transportasi. Aplikasi dalam kemasan makanan dinilai sangat menjanjikan karena dapat meningkatkan keamanan dan kualitas produk makanan. Aplikasi ini termasuk kemasan cerdas, yang mampu berinteraksi dengan produk makanan. Namun, untuk aplikasi nanoenkapsulasi minyak dalam industri makanan, minyak ikan biasanya digunakan, dan tujuan nanoenkapsulasi adalah untuk melindungi minyak dari oksidasi lipid untuk fortifikasi makanan [34, 38, 40].

Seperti dapat dilihat, minyak ikan adalah minyak yang paling banyak digunakan baik dalam mikro dan nanoenkapsulasi. Ini adalah sumber tak jenuh dan PUFA. Manusia dapat menghasilkan sebagian besar asam lemak. Namun demikian, asam lemak omega-6 (n-6) dan omega-3 (n-3) yang penting dalam nutrisi manusia, tidak dapat disintesis oleh organisme manusia. Jadi, manusia harus mendapatkannya dari makanan. Asupan minyak nabati (minyak nabati), termasuk PUFA, terkait dengan rendahnya insiden penyakit kronis, seperti gangguan kardiovaskular atau neurologis, dan penurunan tingkat kanker [3, 69].

Minyak bioaktif biasanya diaplikasikan karena sifat nutrisinya, tetapi salah satu masalah utama dalam penggunaannya adalah hilangnya komponen aktif selama penyimpanan [70]. Hal ini terjadi karena minyak bioaktif mengandung PUFA dan zat lain (xantofil, sterol, karotenoid, monoterpen, flavonol, dll) sensitif terhadap oksigen, kelembaban, panas, dan cahaya [71]. Produk yang terbentuk dalam minyak teroksidasi meliputi banyak spesies radikal bebas, produk oksidasi primer seperti hidroperoksida lipid, dan produk oksidasi sekunder seperti hidrokarbon, aldehida, epoksida, dan keton. Beberapa produk ini dapat berdampak negatif pada jaringan biologis [72]. Karena oksidasi ini, sifat dan nilai gizi minyak hilang dan menghasilkan rasa dan bau yang tidak enak [3].

Senyawa aktif lainnya dalam minyak ini dapat menunjukkan sifat antioksidan, anti-inflamasi, antivirus, antibakteri, antikanker, dan/atau regeneratif jaringan [73]. Polifenol dan tokoferol dalam minyak menunjukkan aktivitas antioksidan yang penting. Oleh karena itu, karakteristik dan komposisi antioksidan berbeda-beda menurut jenis minyaknya. Oleh karena itu, minyak zaitun, bunga matahari, argan, dan biji anggur mengandung senyawa antioksidan yang tinggi [72]. Selain itu, adanya senyawa labil seperti sterol, karotenoid, xantofil, flavonol, dan monoterpen juga berkontribusi terhadap nilai gizi dan sifat kesehatan minyak [3].

Selain itu, EO adalah produk tanaman umum yang terdiri dari campuran bahan aktif biologis, dan mereka menyediakan senyawa bioaktif potensial dan template molekul baru [74, 75]. EO terdiri dari metabolit sekunder yang mudah menguap dengan aktivitas antijamur, antibakteri, antioksidan, antiinflamasi, antivirus, dan antikanker [76]. Efisiensi EO tergantung pada komposisi kimia, genotipe, dan kondisi lingkungan dan agronominya [77]. Beberapa contoh minyak ini adalah thyme, lavender, peppermint, kayu manis, tea tree, rosemary, eucalyptus, dan minyak serai, serta beberapa lainnya. Minyak ini telah terbukti menunjukkan sifat antimikroba tetapi sangat rentan terhadap oksidasi [15, 27, 78].

EO diklasifikasikan sebagai molekul bioaktif alami yang dianggap cocok untuk digunakan dalam penghambatan pertumbuhan patogen bawaan makanan. Namun, penggabungan langsung EO ke dalam makanan menghadirkan tantangan teknologi karena volatilitas yang tinggi dari beberapa konstituen EO, kesulitan penggabungan EO ke dalam formulasi berair, dan kemungkinan perubahan drastis dalam sifat sensorik produk makanan. Di antara komponen yang menunjukkan aktivitas antimikroba, oregano, carvacrol, thymol, dan -terpinene telah digunakan dalam makanan.

Beberapa minyak atsiri telah digunakan untuk meningkatkan kualitas mikroba, sensorik, dan kimia makanan seperti daging, ayam, dan jus buah [28, 79,80,81]. Ghaderi-Ghahfarokhi dkk. [28] minyak esensial thyme yang dienkapsulasi nano dan digunakan dalam burger daging sapi. Mereka mengamati bahwa proses enkapsulasi meningkatkan umur simpan minyak esensial thyme dan meminimalkan penguapan senyawa aktif pada awal penyimpanan. Selain itu, pelepasan minyak esensial thyme secara perlahan selama penyimpanan dapat mempertahankan, atau bahkan meningkatkan, aktivitas antioksidan dan antimikroba minyak hingga akhir penyimpanan berpendingin. Selain itu, terdapat perubahan positif pada kemerahan dan kandungan oksimyoglobin dari burger dibandingkan dengan kontrol, dan minyak esensial thyme gratis meningkatkan penerimaan dan kualitas sensoris burger daging sapi.

Ada penelitian yang menggunakan minyak atsiri dalam makanan sebagai pengawet alami untuk meningkatkan keamanan dan kualitas makanan, menggantikan pengawet makanan sintetis yang berbahaya [49, 82]. Herculano dkk. [82] enkapsulasi eucalyptus dan menentukan aksi antimikroba dari nanopartikel yang dimuat pada Listeria monocytogenes dan Salmonella enteritidis bakteri. Para penulis mengamati bahwa aksi bakterisida nanopartikel lebih efektif melawan bakteri gram positif daripada bakteri gram negatif, karena minyak yang dienkapsulasi nano menunjukkan peningkatan aktivitas melawan S . enteritidis; nanopartikel ini dapat digunakan dalam makanan untuk pengawetan alami.

Permen mete (CG), yang strukturnya menyerupai gum Arab, adalah heteropolisakarida yang diekstraksi dari eksudat Anacardium occidentale , pohon yang umum di wilayah timur laut Brasil. Getah mete mampu berinteraksi dengan air dan dengan demikian bertindak sebagai penstabil, pengemulsi, dan perekat dan bisa menjadi pengganti yang baik untuk gom arab yang lebih mahal. CG digunakan oleh Herculano et al. [82] untuk merangkum Eucalyptus staigeriana minyak atsiri (ESO), dan diameter (nm) dan potensi zeta (mV) kapsul dari formulasi, masing-masing, F1:153.80 ± 8.20 dan 24.50 ± 0.45; F2:27.70 ± 3.42; 14.47 ±1.42, dan F3:432.67 ± 41.47; 10.45 ± 0.21. Formulasi ini terdiri dari F1:CG:ESO = 2:1; ESO:Tween 80 = 2:1; F2:CG:ESO = 4:1; ESO:Tween 80 = 2:1; F3:CG:ESO = 2:1; ESO:Tween 80 = 1:1. Sampel F1 dan F2 menunjukkan distribusi unimodal, sedangkan F3 memiliki distribusi bimodal (nano dan mikropartikel).

Nanoencapsulation Methods Applied in Different Oils

In this review, 11 studies that used nanoencapsulated oils in the food industry were analyzed [10, 16, 35, 37, 38, 83,84,85,86,87], and 1 figure, Fig. 3 was made that describes the technologies, nanoencapsulated oils, and wall materials used. Generally, there are many methodologies for the production of nanocapsules containing oils, such as emulsion-diffusion [16, 38, 85], emulsification-solvent evaporation [83], high-shear emulsification [10, 87], spontaneous emulsification [84, 88], homogenization [37], spray drying [35], and the emulsion supercritical fluid extraction process [86] (Fig. 3a). In general, the techniques are similar, with some particular similarities between each of them.

Proposal and techniques (a ), employed oils (b ), and wall materials (c ) of some studies using oil nanoencapsulation in food

In emulsion-diffusion, an emulsion is produced after a dilution causes the deposition of a polymer around the droplets, whereas in emulsification-solvent evaporation, an emulsion is formed with a polymer solution and an aqueous phase. The solvent is evaporated at the end of both techniques. High-shear homogenization, or microfluidization, is a kind of high-energy emulsification which uses microfluidizers to create mechanical shear. This equipment works by dividing a liquid jet into two parts. Every part passes through a narrow opening. Normally, emulsions with a diameter greater than 1 μm are first formed by other methods, after which their sizes are then reduced in a microfluidizer [3].

Spontaneous emulsification, or low-energy emulsification or self-emulsification, is a process which depends on different variables:interfacial and bulk viscosity, interfacial tension, phase transition region, and surfactant structure and concentration because the emulsion is formed spontaneously as a result of the low interfacial tension from high surfactant levels. In the homogenization (nonspecific name) technique, the emulsion is composed of an organic phase, which has a surfactant, organic solvent and oil, and of an aqueous phase, which is composed of water and a polymer. The organic phase is added dropwise to an aqueous solution. Then, the solvent is removed by a vacuum process [37].

The spray dryer technique is based on dissolving or dispersing the active ingredient in a biopolymer solution. Then, the dispersion is atomized in a heated air chamber that rapidly removes the solvent and produces a dried particle consisting of the active ingredient embedded in a porous wall material [31]. The supercritical fluid extraction of emulsions (SFEE) technique is based on the use of supercritical carbon dioxide (CO₂ ) to rapidly extract the organic solvent from an oil-in-water emulsion, in which a bioactive compound and its coating polymer have been previously dissolved. By removing the solvent, both compounds precipitate, generating a suspension of particles in water [86].

In addition to that in oil microencapsulation, the oil usually used in nanoencapsulation is fish oil [16, 35, 38, 86] (Fig. 3b). However, sunflower oil [85], roasted coffee oil [83], HOPO [10], thyme oil [87], garlic essential oil [84], rice bran oil [88], and chia oil [37] are also used (Fig. 3b).

Oil nanocapsules have been produced with the application of different wall materials (Fig. 3c), depending on the usage and kind of oil to be nanoencapsulated. Unlike oil microencapsulation, oil nanoencapsulation does not usually involve wall material mixtures. Usually, the wall material is used alone because the particles formed must have a size of 1000 nm, and, as there is a larger contact surface, the fewer the compounds in the nanocapsule formulation the better the interaction is among the compounds, ultimately favoring the particle size.

The wall materials most used in the techniques are biodegradable polymers. Some usual wall materials used in oil nanoencapsulation are polycaprolactone [16, 38, 86, 88], whey protein [10, 35], sodium caseinate [87], chia seed mucilage [37], maltodextrin, or modified starch [35] (Fig. 3c). Some authors did not report the wall material used in their study [88], probably because of the spontaneous emulsification technique that was employed.

Wall material is chosen according to the size of the required nanoparticles, aqueous solubility and stability, and other factors. Among polymers, most of the wall material utilized is poly(ε-caprolactone) (PCL). PCL is a polymer obtained through the ring-opening polymerization of the cyclic monomer Ɛ-caprolactone utilizing cationic or anionic, coordination, or the radical catalysts mechanism. This polymer is semicrystalline, and its crystallinity is directly associated with its molecular weight. It is soluble in inorganic solvents and has a good blend compatibility that provides a transformation of chemical properties, such as solubility and porosity, and it presents a low melting point (59–64 °C). Furthermore, PCL is a synthetic, biocompatible, and fully biodegradable polymer that has a semi crystalline nature (glass transition temperature of 213 K). It is approved for drug delivery by the Food and Drug Administration (FDA). Due to its slow degradation, PCL is ideally suited for long-term delivery or when a targeted delivery to the intestinal tract is intended. PCL has a high hydrophobicity, high in vitro stability, and low cost [87]. Usually, PCL is utilized in the emulsion-diffusion method and supercritical fluid extraction of emulsions, especially for fish oil encapsulation [16, 86].

Whey protein may also be applied to nanoencapsulate bioactive compounds such as oils because of its functional characteristics, such as its surface activity, gelation, shielding, and protective properties, e.g., biocompatibility and biodegradability [58]. Ricaurte et al. [10] applied HOPO and obtained nanocapsules with whey protein from microfluidization, confirming that this methodology was able to create stable nanocapsules with a diameter of 163 nm.

After synthesis, the basic characterization of the oil nanoparticles is determined by important parameters, such as the size, polydispersity index (PDI), and zeta potential. The size and size dispersion of nanocapsules are important because of their ability to transform the physicochemical and pharmaceutical behaviors of the encapsulated ingredients [58].

Nanoparticle size, also named the mean diameter or z-average, may be established by several methods, such via laser diffraction (LD) and a Coulter counter; however, the most applied technique is dynamic light scattering (DLS) [58, 89], which allows the description of particle size distribution and destabilization phenomena. Nevertheless, it is not very precise when used with large size differences; it is noted that particles larger than 1 μm will be subject to gravitational movement in addition to Brownian motion, which makes this technique suitable for the characterization of particles only < 1 μm.

For nanoencapsulated oils, the diameter size is usually between 100 and 1000 nm [10, 16, 35, 37, 38, 83, 85, 87] or less than 100 nm [84, 86,87,88]. Diameters larger than 1000 nm were found by Ricaurte et al. [10]; those authors reported diameters between 163 and 2268 nm using the microfluidization method and whey protein as a wall material in the nanoencapsulation of HOPO.

Size dispersion is indicated as the PDI, an index that describes the particles uniformity in suspension; PDI values between 0.1 and 0.25 [10, 38, 87, 88] indicate a small size distribution, and PDI values higher than 0.5 indicate a broad distribution [50]. Although some authors, such as Choi et al. [16], Campo et al. [37], and Jafari et al. [35], did not report PDI, it is a good parameter for characterizing nanoparticles when used with particle size and zeta potential. Campo et al. [37] did not perform PDI analysis, but they found a bimodal figure in one of the diameter size results, suggesting the presence of nano and microparticles; if PDI was performed, the values would likely be greater than 0.25.

Zeta potential is a physical characteristic that is shown by particles in suspension, macromolecules, or substance surfaces; it corresponds to the nanoparticle’s electrical potential, as influenced by the nanocapsule ingredients and the medium in which they are distributed. This parameter is widely applied to indicate suspension stability in colloidal dispersions, where zeta potential values higher than 30 mV and lower than − 30 mV promote high stability and prevent particles aggregation [90]. The majority of the studies examined here obtained results between these values (30 mV and − 30 mV) [10, 37, 38, 84, 85]. Some authors, such as Choi et al. [16], Freiberger et al. [83], Bernardi et al. [88], Jafari et al. [35], and Pietro and Calvo [86], did not report the zeta potential.

For nanoencapsulated oils, the zeta potential is usually variable because of wall material characteristics. Campo et al. [37] obtained a zeta potential of − 11.58 ± 1.87 mV for encapsulated chia oil with chia seed mucilage as wall material. Nanoparticles of anionic gums, such as chia seed polysaccharide and cashew gum, can present negative zeta potential due to the presence of carboxylic acids groups in the carboxylate form (-COO-) that generates negative charges [82].

Another important analysis for the characterization of nanoparticles is Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), which is a technique used to obtain an infrared spectrum of the absorption or emission of a solid, liquid or gas. An FTIR spectrometer simultaneously collects high spectral resolution data over a wide spectral range. This provides a significant advantage over a dispersive spectrometer, which measures intensity over a narrow wavelength range. FTIR is a less intuitive way to obtain the same information. Usually, oil nanoparticles are used in the transmittance mode, operating with wavelengths between 400 and 500 and 4000 cm ⁻¹ and a resolution of 4 cm ⁻¹ [37, 84, 91].

Based on FTIR analysis, it is possible to physically perceive the interactions that take place between the nanoparticle components; for example, the FTIR results of nanoencapsulated garlic essential oil showed the characteristic Tween 80 (the emulsifier used) peaks. This phenomenon could be related to coverage in the garlic oil nanoemulsion spectrum due to the stretching vibration of the extracted garlic bands. The band at 1325–1450 cm ⁻¹ showed the presence of S=O, and the band at 1675–1600 cm ⁻¹ showed a -C-C=C symmetric stretch, both of which are present in garlic EO compounds [84].

Incorporation of Nanoencapsulated Oils into the Food Market and Patent Application

According to the House of Lords [92], food currently contains structures at the micro and nanoscale. Fruit juice is composed by plant material that was built from nanoscale ingredients, while Bailey’s Irish Cream contained nanoemulsions with an average droplet size of 190 nm. Margarine had water droplets smaller than 10 μm across, with even smaller fat crystals interspersed in them. The naturally occurring nanomaterials found in food ranged from particles smaller than 100 nm found in drinks such as tea, beer, and coffee to protein structures of approximately 300 nm found in eggs or soy to larger oil particles of approximately 800 nm found in substances such as milk. All fresh and processed food was structured at the nanoscale, and consequently, the body evolved over time to deal with nanoscaled materials.

Few studies have been performed on the incorporation of nanotechnology incorporation into trade [65]. Furthermore, no products that contained oil nanoencapsulation were found in the market. However, there are numerous oil microencapsulation products that can be found in trade, and there is an article that highlights this information [93]. This finding may be attributed to the fact that, in general, nanotechnology is relatively new, and it is a relatively complex technology to employ. However, it is possible to notice some similarities between the methods used for the micro and nanoencapsulation of oils. In addition, the regulation gap in nanotechnology raises some uncertainties about the use of this technology in the market.

Concerning nanotechnology regulation, there are a number of ongoing EU research projects aimed at addressing all aspects of nanosafety, including toxicology, ecotoxicology, risk assessment, exposure assessment, mechanisms of interaction, and standardization. Examples of ongoing EU projects include the NanoLyse project, which is dedicated to the development of analytical tools for the detection and characterization of engineered nanoparticles in food, and the NanoReTox project, which seeks to address the human health and environmental implications of exposure to engineered nanoparticles [94]. However, regulatory institutions such as the Environmental Protection Agency (EPA) and the Food and Drug Administration (FDA) in the USA or the Health and Consumer Protection Directorate of the European Commission have started addressing the potential risks posed by nanoparticles. So far, neither engineered nanoparticles nor the products and materials that contain them are subject to any special regulation regarding production, handling, or labeling.

Although there is no specific nanoparticle regulation, there are some food industry patent documents deposited in different countries. WO2018029626, a patent application from Argentina, focused on chia oil with an edible nanoemulsion. It described a chia oil nanoemulsion comprising between 10 and 20% of chia oil (Salvia hispanica L. ), between 2 and 5% of polysorbate, between 0.5 and 5% of at least one emulsifier other than the polysorbate, between 0.05 and 0.2% of at least one antioxidant, and water. Formulations of edible chia oil nanoemulsions used in transparent drinks and desserts, such as juices and jellies, were disclosed [95]. A patent application from the Republic of Korea, KR20160005182, focused on cinnamon oil nanoemulsions to inhibit the development and increase of dangerous food microorganisms. Furthermore, this invention could not only be used for food additives, food packaging materials, preservatives, etc. but also be utilized in the pharmaceutical and cosmetic industries [96]. A mustard oil nanoemulsion application patent from China, CN103315956, was prepared to alleviate the pungent smell of mustard oil to avoid volatilization, and the mustard oil may be used for bacterial resistance in food and drugs [97]. Wang Weichun Feng Wei submitted an application patent from China, CN103750050, describing a palm oil nanoemulsion that solved the problems of high grease costs, low absorption rates, low oil content in the existing prepared palm oil nanoemulsions, large granularity, poor stability, long production periods, high equipment investments, and high production costs in existing young animal feeds. The palm oil nanoemulsion was prepared by mixing an emulsifier with palm oil, cutting and emulsifying the mixture, and ultrasonically performing cell breaking in the mixture. The process was simple, the entire reaction process was easily controlled, the entire process production period was short, the equipment investment and production costs were low, the oil content of the produced nanoemulsion was high, the distribution granularity was small, the stability was good, and the digestion by livestock increased [98].

There is a growing trend of oil nanoencapsulation patent applications, indicating that many innovations have been made and attesting to the technology the global market.