Oleogels for Food Applications: Towards their Incorporation into Plant-based Protein Matrices

Abstract

Aquesta tesi investiga la formulació d'oleogels d'oli de blat de moro i estearat de gliceril (GS) i com la seva estructura pot ser modulada amb dos co-oleogelificants naturals, lecitina (LEC) i lecitina hidrogenada (HLEC), utilitzant β-carotè (βC) com a compost bioactiu model. En primer lloc, es va estudiar la influència de la micro i macroestructura dels oleogels en la cinètica i el grau de la lipòlisi, així com la bioaccessibilitat del βC. En aquest sentit, els estudis in vitro es van complementar amb models in vivo. En segon lloc, es va avaluar l'impacte de les proteïnes d'origen vegetal (pèsol, soia i blat) en l'estabilitat i funcionalitat dels oleogels o de sistemes basats en emulsions per comprendre el seu comportament en aliments d'origen vegetal. Per a això, es va estudiar individualment la hidròlisi de les proteïnes durant les fases gàstrica i intestinal in vitro. Addicionalment, es va determinar la capacitat de formació i estabilització d'emulsions de les proteïnes vegetals, així com la seva digestibilitat in vitro en sistemes basats en emulsions. Finalment, es va avaluar la digestibilitat in vitro dels oleogels en presència de proteïnes vegetals en la fase aquosa principal. La incorporació de LEC als oleogels de GS va produir oleogels més tous amb una capacitat de retenció d'oli reduïda en comparació amb la HLEC, la qual va enfortir la matriu, augmentant la duresa i la capacitat de retenció d'oli. Aquests canvis (micro)estructurals van determinar el seu comportament durant la digestió. Durant la digestió in vitro, els oleogels amb LEC van perdre la seva estructura i van presentar un alt alliberament d'oli en condicions gàstriques, produint per tant gotes d'oli més grans en la fase intestinal. Això va causar un menor grau de lipòlisi final (~56-61%), tot i que van presentar alts valors de bioaccessibilitat del βC (~61-88%), la qual cosa podria explicar-se per la contribució de la LEC a la producció de micel·les mixtes per a la solubilització del βC. Per contra, els oleogels de GS formulats amb HLEC van mantenir la seva estructura a través de la fase gàstrica i van produir gotes d'oli més petites en la fase intestinal, fet que va accelerar la lipòlisi primerenca i va incrementar el grau de lipòlisi general (~71-78%). In vivo, els oleogels de GS amb βC, tant els formulats amb LEC com amb HLEC, van presentar nivells més alts de retinol hepàtic en comparació amb l'oli de blat de moro enriquit amb βC. De manera destacada, els oleogels amb LEC i HLEC van millorar significativament el lliurament de retinol a l'intestí gros, la qual cosa indica un alliberament més sostingut del compost bioactiu en comparació amb els olis líquids. Entre les proteïnes vegetals, la proteïna de blat va presentar una major hidròlisi (~88%) en comparació amb les proteïnes de pèsol (~65%) i de soia (~54%). En línia amb això, la proteïna de blat va presentar una major activitat interfacial en comparació amb les proteïnes de pèsol i soia, produint així emulsions més estables. En aquest sentit, es va observar que l'estabilitat de l'emulsió i el seu comportament durant la digestió estan altament determinats pel tipus de proteïna vegetal i el pH. Finalment, l'addició de proteïnes vegetals als oleogels va reduir la seva digestibilitat lipídica, si bé l'abast de l'impacte va dependre del tipus de proteïna. En general, la bioaccessibilitat del βC va ser menor quan els oleogels de GS es van codigerir amb proteïnes vegetals en comparació amb els oleogels de GS digerits sols. En contrast, els oleogels amb LEC codigerits amb proteïnes vegetals van presentar valors de bioaccessibilitat del βC més alts que el seu homòleg sense proteïnes. Això suggereix que els productes de la digestió de les proteïnes poden interactuar amb els productes de la digestió dels lípids, determinant així la capacitat de solubilització de les micel·les mixtes i, per tant, la bioaccessibilitat del bioactiu. Per tant, aquesta Tesi Doctoral evidencia que les propietats tecnofuncionals dels oleogels estan governades per la seva microestructura, la qual pot ser modulada pels paràmetres de la seva formulació. Aquesta comprensió proporciona un marc per seleccionar estratègicament co-oleogelificants i proteïnes per dissenyar sistemes de lliurament amb propietats (micro)estructurals específiques i una funcionalitat ajustada, com ara un alliberament més ràpid o sostingut. Aquests resultats subratllen la necessitat de tenir en compte els efectes de la matriu alimentària en la digestibilitat lipídica i la bioaccessibilitat del βC dels oleogels en aplicar-los com a substituts de greix i/o com a sistemes de lliurament en aliments complexos.

Esta tesis investiga la formulación de oleogeles de aceite de maíz y estearato de glicerilo (GS) y cómo su estructura puede ser modulada con dos co-oleogelificantes naturales, lecitina (LEC) y lecitina hidrogenada (HLEC), utilizando β-caroteno (βC) como compuesto bioactivo modelo. En primer lugar, se estudió la influencia de la micro y macroestructura de los oleogeles en la cinética y el grado de la lipólisis, así como la bioaccesibilidad del βC. En este sentido, los estudios in vitro se complementaron con modelos in vivo. En segundo lugar, se evaluó el impacto de las proteínas de origen vegetal (guisante, soja y trigo) en la estabilidad y funcionalidad de los oleogeles o de sistemas basados en emulsiones para comprender su comportamiento en alimentos de origen vegetal. Para ello, se estudió individualmente la hidrólisis de las proteínas durante las fases gástrica e intestinal in vitro. Adicionalmente, se determinó la capacidad de formación y estabilización de emulsiones de las proteínas vegetales, así como su digestibilidad in vitro en sistemas basados en emulsiones. Por último, se evaluó la digestibilidad in vitro de los oleogeles en presencia de proteínas vegetales en la fase acuosa principal. La incorporación de LEC a los oleogeles de GS produjo oleogeles más blandos con una capacidad de retención de aceite reducida en comparación con la HLEC, la cual fortaleció la matriz, aumentando la dureza y la capacidad de retención de aceite. Estos cambios (micro)estructurales determinaron su comportamiento durante la digestión. Durante la digestión in vitro, los oleogeles con LEC perdieron su estructura y presentaron una alta liberación de aceite en condiciones gástricas, produciendo por tanto gotas de aceite más grandes en la fase intestinal. Esto causó un menor grado de lipólisis final (~56-61%), aunque presentando altos valores de bioaccesibilidad del βC (~61-88%), lo que podría explicarse por la contribución de la LEC a la producción de micelas mixtas para la solubilización del βC. Por el contrario, los oleogeles de GS formulados con HLEC mantuvieron su estructura a través de la fase gástrica y produjeron gotas de aceite más pequeñas en la fase intestinal, lo que aceleró la lipólisis temprana e incrementó el grado de lipólisis general (~71-78%). In vivo, los oleogeles de GS con βC, tanto los formulados con LEC como con HLEC, presentaron niveles más altos de retinol hepático en comparación con el aceite de maíz enriquecido con βC. De manera destacada, los oleogeles con LEC y HLEC mejoraron significativamente la entrega de retinol al intestino grueso, lo que indica una liberación más sostenida del compuesto bioactivo en comparación con los aceites líquidos. Entre las proteínas vegetales, la proteína de trigo presentó una mayor hidrólisis (~88%) en comparación con las proteínas de guisante (~65%) y de soja (~54%). En consonancia con esto, la proteína de trigo presentó una mayor actividad interfacial en comparación con las proteínas de guisante y soja, produciendo así emulsiones más estables. En este sentido, se observó que la estabilidad de la emulsión y su comportamiento durante la digestión están altamente determinados por el tipo de proteína vegetal y el pH. Finalmente, la adición de proteínas vegetales a los oleogeles redujo su digestibilidad lipídica, si bien el alcance del impacto dependió del tipo de proteína. En general, la bioaccesibilidad del βC fue menor cuando los oleogeles de GS se codigerían con proteínas vegetales en comparación con los oleogeles de GS digeridos solos. En contraste, los oleogeles con LEC codigeridos con proteínas vegetales presentaron valores de bioaccesibilidad del βC más altos que su homólogo sin proteínas. Esto sugiere que los productos de la digestión de las proteínas pueden interactuar con los productos de la digestión de los lípidos, determinando así la capacidad de solubilización de las micelas mixtas y, por lo tanto, la bioaccesibilidad del bioactivo. Por lo tanto, esta Tesis Doctoral evidencia que las propiedades tecnofuncionales de los oleogeles están gobernadas por su microestructura, la cual puede ser modulada por sus parámetros de formulación. Esta comprensión proporciona un marco para seleccionar estratégicamente co-oleogelificantes y proteínas para diseñar sistemas de entrega con propiedades (micro)estructurales específicas y una funcionalidad ajustada, como una liberación más rápida o sostenida. Estos hallazgos subrayan la necesidad de tener en cuenta los efectos de la matriz alimentaria en la digestibilidad lipídica y la bioaccesibilidad del βC de los oleogeles al aplicarlos como sustitutos de grasa y/o como sistemas de entrega en alimentos complejos.

This thesis investigates the formulation of glyceryl stearate (GS) corn-oil oleogels and how their structure can be tuned with two natural co-oleogelators, lecithin (LEC) and hydrogenated lecithin (HLEC), containing β-carotene (βC) used as a model bioactive compound. First, the influence of oleogels micro- and macrostructure on the lipolysis kinetics and extent was studied, as well as the βC bioaccessibility. In this regard, in vitro studies were complemented with in vivo models. Second, the impact of plant-based proteins (pea, soy and wheat) on the stability and functionality of oleogels or emulsion-based systems was assessed in order to understand their behaviour in plant-based foods. For this, the protein hydrolysis during in vitro gastric and intestinal phases was studied individually. Additionally, the emulsion formation and stabilization capacity of plant-based proteins as well as their in vitro digestibility was determined in emulsion-based systems. Lastly, the in vitro digestibility of oleogels in presence of plant-proteins in the bulk aqueous phase was assessed. The incorporation of LEC to GS-oleogels produced softer oleogels with a reduced oil binding capacity compared to of HLEC, which strengthened the matrix, increasing the hardness and oil binding capacity. These (micro)structural changes determined their behaviour during digestion. During in vitro digestion, LEC-containing oleogels lost their structure and presented a high oil release during gastric conditions, therefore rendering larger oils droplets in the intestinal phase. This caused a lower final lipolysis extent (~56-61%), yet presenting high βC bioaccessibility values (~61-88%), which might be explained by the contribution of LEC to produce mixed micelles for βC solubilization. On the contrary, GS-oleogels formulated with HLEC retained their structure through the gastric phase and rendered smaller oil droplets in the intestinal phase, which accelerated early lipolysis and increased the overall lipolysis extent (~71-78%). In vivo, βC-containing GS-oleogels both formulated with LEC or HLEC presented higher liver retinol levels compared to the βC-enriched corn oil. Remarkably, LEC- and HLEC-containing oleogels significantly enhanced retinol delivery to the large intestine, indicating a more sustained release of the bioactive compound compared to liquid oils. Among plant-proteins, wheat protein presented a higher hydrolysis (~88%) compared to pea (~65%) and soy proteins (~54%). In line with this, wheat protein presented a higher interfacial activity in comparison to pea and soy proteins, thus rendering more stable emulsions. In this regard, it was observed that the emulsion stability and behaviour during digestion are highly determined by the type of plant-protein and the pH. Lastly, the addition of plant proteins to oleogels reduced their lipid digestibility, yet the extent of the impact was influenced by the type of protein. In general, the βC bioaccessibility was lower when GS-oleogels were co-digested with plant-proteins compared to the GS-oleogels digested alone. In contrast, LEC-containing oleogel co-digested with plant-proteins presented higher βC bioaccessibility values compared to its protein-free counterpart. This suggests that protein digestion products may interact with lipid digestion products, thus determining the solubilization capacity of mixed micelles, and therefore the bioactive bioaccesibility. Hence, this Doctoral Thesis evidences that the oleogels technofunctional properties are governed by their microstructure, which can be modulated by their formulation parameters. This understanding provides a framework for strategically selecting co-oleogelators and proteins to design delivery systems with specific (micro)structural properties and tuned functionality such as faster release or sustained delivery. These findings underscore the need to account for food matrix effects on oleogels’ lipid digestibility and βC bioaccessibility when applying them as fat replacers and/or as delivery systems in complex foods.