Docosahexaenoic acid ethyl esther (DHAEE) microcapsule production by spray-drying: optimization by experimental design

Docosahexaenoic acid is an essential polyunsaturated fatty acid with important metabolic activities. Its conjugated double bonds make it susceptible to decomposition. Its stability may be improved through fatty acid entrapment with a spray-drying technique; however, the many parameters involved in this technique must be considered to avoid affecting the final product quality. Therefore, this study aimed to evaluate the entrapment conditions and yields of fish oil enriched with docosahexaenoic acid ethyl ester. Microcapsules were obtained from Acacia gum using a spray-drying technique. The experimental samples were analyzed by chromatography and delineated by Statistica software, which found the following optimum entrapment conditions: an inlet temperature of 188 °C; 30% core material; an N2 flow rate of 55 mm; and a pump flow rate of 12.5 mL/minute. These conditions provided a 66% yield of docosahexaenoic acid ethyl ester in the oil, corresponding to 19.8% of entrapped docosahexaenoic acid ethyl ester (w/w). This result was considered significant since 30% corresponded to wall material.

Ottimizzazione del processo di sintesi di microcapsule melammina-formaldeide

Lo scopo di questo elaborato di tesi è sintetizzare microcapsule di dimensioni non superiori ai 20 micron, contenenti un composto termocromico in modo da funzionare come indicatori di temperatura. Le capsule devono essere quindi in grado di variare la propria colorazione in funzione della temperatura del mezzo in cui sono disperse o dell’ambiente circostante, senza degradarsi. Il core è costituito da una miscela contenente un pigmento termocromico il cui colore varia da verde intenso se mantenuto a temperature ambiente, fino ad un verde pallido, quasi bianco, per temperature inferiori ai 10°C. Il core è stato quindi incapsulato in uno shell, costituito da una resina melammina-formaldeide (MF) mediante polimerizzazione in situ. Questo processo prevede la sintesi di un prepolimero MF che viene poi fatto reticolare in presenza di una emulsione del core in soluzione acquosa. Per prima cosa è stato ottimizzata la sintesi del prepolimero a partire da una soluzione acquosa di melammina e formaldeide. Vista la tossicità della formaldeide (H341-H350-H370) è stata studiata anche la possibilità di sostituire questo reagente con la sua forma polimerica (paraformaldeide) che a 45°C circa degrada rilasciando formaldeide in situ. In questo modo il processo risulta molto più sicuro anche in previsione di un suo possibile sviluppo industriale. In seguito è stato ottimizzato il processo di microincapsulazione in emulsione su vari tipi di core e studiando l’effetto di vari parametri (pH, temperatura, rapporto core/shell, tipo di emulsionante ecc.), sulle dimensioni e la stabilità delle microcapsule finali. Queste sono quindi state caratterizzate mediante spettrometria Infrarossa in trasformata di Fourier (FT-IR) e la loro stabilità termica è stata controllata tramite analisi TermoGravimetrica (TGA). Il processo di reticolazione (curing) della resina, invece, è stato studiato tramite Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC). Le microcapsule sono inoltre state analizzate tramite Microscopio Elettronico (OM) e Microscopio Elettronico a Scansione (SEM).

Electrodeposition of composite copper/liquid-containing microcapsule coatings

This paper presents results on the preparation of microcapsules containing liquid organosilica, and their co-deposition with copper in an acidic copper electrolyte onto a carbon steel cathode to form a copper/microcapsule composite coating. Microscopic analyses of the surface and the cross-section of the coating confirm the incorporation of the liquid-containing microcapsules in the coating layer. The influence of microcapsules in the electrolyte on the cathode polarization, as well as that of process conditions on the microcapsule inclusion, is also discussed. (C) 2004 Kluwer Academic Publishers.

Responsive core−shell latex particles as colloidosome microcapsule membranes

Responsive core-shell latex particles are used to prepare colloidosome microcapsules using thermal annealing and internal cross-linking of the shell, allowing production of the microcapsules at high concentrations. The core-shell particles are composed of a polystyrene core and a shell of poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate]-b-poly[methyl methacrylate] (PDMA-b-PMMA) chains adsorbed onto the core surface, providing steric stabilisation. The PDMA component of adsorbed polymer shell confers the latex particle thermal and pH responsive characteristics, it also provides glass transitions at lower temperatures than that of the core and reactive amine groups. These features facilitate the formation of stable Pickering emulsion droplets and the immobilisation of the latex particle monolayer on these droplets to form colloidosome microcapsules. The immobilisation is achieved through thermal annealing or cross-linking of the shell at mild conditions feasible for large scale economic production. We demonstrate here that it is possible to anneal the particle monolayer on the emulsion drop surface at 75-86 ºC by using the lower glass transition temperature of the shell compared to that of the polystyrene cores (~108 ºC). The colloidosome microcapsules formed have a rigid membrane basically composed of a monolayer of particles. Chemical cross-linking has also been successfully achieved by confining a cross-linker within the disperse droplet. This approach leads to the formation of single-layered stimulus-responsive soft colloidosome membranes and provides the advantage of working at very high emulsion concentrations since inter-droplet cross-linking is thus avoided. The porosity and mechanical strength of microcapsules are also discussed here in terms of the observed structure of the latex particle monolayers forming the capsule membrane.

Capsule permeability via polymer and protein ingress/egress.

Static incubation tests, where microcapsules and beads are contacted with polymer and protein solutions, have been developed for the characterization of permselective materials applied for bioartificial organs and drug delivery. A combination of polymer ingress, detected by size-exclusion chromatography, and protein ingress/ egress, assessed by gel electrophoresis, provides information regarding the diffusion kinetics, molar mass cutoff(MMCO) and permeability. This represents an improvement over existing permeability measurements that are based on the diffusion of a single type of solute. Specifically, the permeability of capsules based on alginate, cellulose sulfate, polymethylene-co-guanidine were characterized as a function of membrane thickness. Solid alginate beads were also evaluated. The MMCO of these capsules was estimated to be between 80 and 90 kDa using polymers, and between 116-150 kDa with proteins. Apparently, the globular shape of the proteins (radius of gyration (Rg) of 4.2-4.6 nm) facilitates their passage through the membrane, comparatively to the polysaccharide coil conformation (Rg of 6.5-8.3 nm). An increase of the capsule membrane thickness reduced these values. The MMCO of the beads, which do not have a membrane limiting their permselective properties, was higher, between 110 and 200 kDa with dextrans, and between 150 and 220 kDa with proteins. Therefore, although the permeability estimated with biologically relevant molecules is generally higher due to their lower radius of gyration, both the MMCO of synthetic and natural watersoluble polymers correlate well, and can be used as in vitro metrics for the immune protection ability of microcapsules and microbeads. This article shows, to the authors' knowledge, the first reported concordance between permeability measures based on model natural and biological macromolecules.

New multicomponent capsules for immunoisolation.

A new generation of microcapsules based on the use of oligomers which participate in polyelectrolyte complexation reactions has been developed. These freeze-thaw stable capsules have been applied as a bioartificial pancreas and have resulted in normoglycemia for periods of six months in concordant xenotransplantations. The new chemistry permits the control of permeability and mechanical properties over a wide range and can be adapted both to microcapsule and hollow fiber geometries rendering it a robust tool for encapsulation in general. Methods, and metrics, for the characterization of the mechanical properties and permeability of microcapsules are presented.

Effets de la purification d’alginate et de la co-encapsulation avec des cellules canaliculaires sur la survie et fonction d’îlots de Langerhans microencapsulés

La transplantation d’îlots chez des sujets diabétiques permet la normalisation de leur glycémie mais nécessite l’utilisation d’immunosuppresseurs. Afin d’éliminer l’utilisation de ceux-ci, une capsule d’alginate capable d’immunoprotéger l’îlot a été proposée. Cependant, un problème persiste : la survie de l’implant est limitée. Deux moyens afin d’améliorer ce facteur seront présentés dans ce mémoire: l’utilisation d’alginate purifié et la co-encapsulation des îlots avec des cellules canaliculaires pancréatiques. La première étude rapporte un aspect nouveau : les effets directs de l’alginate non-purifié, versus purifié, sur la survie d’îlots encapsulés. Ceci est démontré in vitro sur la viabilité à long terme des îlots, leur fonction et l’incidence de leur mort cellulaire par apoptose et nécrose. Ces investigations ont permis de conclure que l’alginate purifié permet de maintenir à long terme une meilleure survie et fonction des îlots. De plus, cette étude ajoute un autre rôle aux contaminants de l’alginate en plus de celui d’initier la réaction immunitaire de l’hôte; celle-ci étant indirectement reliée à la mort des îlots encapsulés. La deuxième étude consiste à déterminer les impacts possibles d’une co-encapsulation d’îlots de Langerhans avec des cellules canaliculaires pancréa-tiques. Les résultats obtenus démontrent que cette co-encapsulation n’améliore pas la survie des îlots microencapsulés, par des tests de viabilité et de morts cellulaires, ni leur fonction in vivo testée par des implantations chez un modèle murin immmunodéficient. Pour conclure, la survie des îlots encapsulés peut être améliorée par la purification de l’alginate mais reste inchangée lors d’une co-encapsulation avec des cellules canaliculaires pancréatiques.

Biocompatibilité des microcapsules d'alginate : purification d'alginate, réaction immunitaire de l'hôte et protection du receveur

L’immuno-isolation des îlots de Langerhans est proposée comme moyen d’effectuer des transplantations sans prise d’immunosuppresseurs par le patient. Cette immuno-isolation, par l’entremise d’une microcapsule composée d’alginate et de poly-L-lysine (microcapsule APA), protège le greffon d’une éventuelle attaque du système immunitaire du receveur grâce à sa membrane semi-perméable. Cette membrane empêche le système immunitaire du receveur de pénétrer la microcapsule tout en laissant diffuser librement les nutriments, le glucose et l’insuline. Avant l’application de cette technique chez l’humain, quelques défis doivent encore être relevés, dont la biocompatibilité de ce système. La biocompatibilité fait ici référence à la biocompatibilité du biomatériau utilisé pour la fabrication des microcapsules, l’alginate, mais aussi la biocompatibilité des microcapsules reliée à leur stabilité. En effet, il a été remarqué que, lors d’implantation in vivo de microcapsules fabriquées avec de l’alginate non purifiée, ceci induisait un phénomène nommé Réaction de l’Hôte contre la Microcapsule (RHM). De plus, il est connu que la stabilité des microcapsules APA peut influencer leur biocompatibilité puisqu’une microcapsule endommagée ou brisée pourrait laisser s’échapper les cellules du greffon chez le receveur. Nous croyons qu’une compréhension des processus d’initiation de la RHM en fonction de l’efficacité des procédés de purification d’alginate (et donc des quantités de contaminants présents dans l’alginate) ainsi que l’augmentation de la stabilité des microcapsules APA pourront améliorer la biocompatibilité de ce dispositif, ce que tente de démontrer les résultats présentés dans cette thèse. En effet, les résultats obtenus suggèrent que les protéines qui contaminent l’alginate jouent un rôle clé dans l’initiation de la RHM et qu’en diminuant ces quantités de protéines par l’amélioration des procédés de purification d’alginate, on améliore la biocompatibilité de l’alginate. Afin d’augmenter la stabilité des microcapsules APA, nous décrivons une nouvelle technique de fabrication des microcapsules qui implique la présence de liaisons covalentes. Ces nouvelles microcapsules APA réticulées sont très résistantes, n’affectent pas de façon négative la survie des cellules encapsulées et confinent les cellules du greffon à l’intérieur des microcapsules. Cette dernière caractéristique nous permet donc d’augmenter la biocompatibilité des microcapsules APA en protégeant le receveur contre les cellules du greffon.

Amélioration de la résistance à l'hypoxie des îlots de Langerhans microencapsulés par l’utilisation d’agrégats de cellules dispersées

La transplantation d’îlots de Langerhans microencapsulés est un traitement prometteur du diabète de type 1. La microcapsule protège l’îlot du système immunitaire, tout en permettant la diffusion de petites molécules. Comme la microcapsule empêche la revascularisation des îlots, leur oxygénation se fait par diffusion d’oxygène et ils sont exposés à l’hypoxie. Le manque d’oxygène est un facteur limitant dans la survie des îlots microencapsulés. Il est connu que les plus petits îlots sont plus résistant à l’hypoxie à cause d’une meilleure diffusion de l’oxygène. À cette fin, les agrégats de cellules dispersées d’îlots seront étudiés. Lorsque les cellules des îlots sont dispersées, elles ont la propriété de se ré-assembler dans une structure semblable à celle des îlots. La présente étude a permis de mettre au point une technique de formation des agrégats, de les caractériser et de comparer la résistance à l’hypoxie des îlots et des agrégats. Ceux-ci ont une structure semblable aux îlots et ils sont de plus petite taille. Pour cette raison, ils sont plus viables après un choc hypoxique tout en renversant efficacement l’hyperglycémie de souris diabétiques. Les agrégats sont une alternative intéressante pour la transplantation d’îlots microencapsulés puisque leur oxygénation est plus efficace.

Développement de papier bioactif par couchage à grande échelle d’enzymes immobilisées par microencapsulation

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG.

Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

Microencapsulation of casein hydrolysate by complex coacervation with SPI/pectin

The aim of this work was to encapsulate casein hydrolysate by complex coacervation with soybean protein isolate (SPI)/pectin. Three treatments were studied with wall material to core ratio of 1:1, 1:2 and 1:3. The samples were evaluated for morphological characteristics, moisture, hygroscopicity, solubility, hydrophobicity, surface tension, encapsulation efficiency and bitter taste with a trained sensory panel using a paired comparison test. The samples were very stable in cold water. The hydrophobicity decreased inversely with the hydrolysate content in the microcapsule. Encapsulated samples had lower hygroscopicity values than free hydrolysate. The encapsulation efficiency varied from 91.62% to 78.8%. Encapsulated samples had similar surface tension, higher values than free hydrolysate. The results of the sensory panel test considering the encapsulated samples less bitter (P < 0.05) than the free hydroly-state, showed that complex coacervation with SPI/pectin as wall material was an efficient method for microencapsulation and attenuation of the bitter taste of the hydrolysate. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Nanocompósitos com atividade antioxidante de amido de milho/isolado proteico de soro de leite/ óleo essencial de alecrim obtidos por extrusão termoplástica

In order to improve the quality and safety of food, the active packaging emerges as a new technology based on the release of composites beneficial to food products. Thus, biodegradable films incorporated with active substances have the function of acting as a barrier to external elements, protecting the product and increasing its shelf life. They are formulated from proteins, polysaccharides, lipids or from the combination of these compounds. However, there is a need to improve the performance properties of these packages. Nanotechnologies, then, emerges with the study of many nanoparticles as additives to modify the performance of biodegradable polymers. With this, we aimed at developing and active antioxidant film of corn starch blenders and whey protein isolate with rosemary essential oil or microcapsules of rosemary essential oil reinforced with sodium montmorillonite (MMTNa + ) nanoparticles by extrusion. The films were developed and characterized in a first stage for the selection of the best polymeric blender using the following analyses: water vapor permeability (WVP), machanical properties; optical, thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), x-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). In the second stage, montmorillonite clay nanoparticles and rosemary essential oil were added as reinforcement to evaluate its antioxidant effect. In a third stage, we studied the addition of microcapsules of rosemary essential oil (MR) as a form of protecting the active agent and its antioxidant potential in the films. The results indicate that the development of p olymeric blender with 30% of corn starch substitution is the most indicated for future work. The addition of rosemary essential oil or microcapsule of rosemary essential oil allowed for the obtaining of nanocomposites with antioxidant potential for application in food packages.

Efeitos da deriva de clomazone, aplicado isoladamente ou em mistura com ametryn, sobre características produtivas de laranjeira 'Hamlin'

This experiment aimed to evaluate the effect of increasing clomazone (sprayed alone or in mixture with ametryn) drift simulation on quantitative and qualitative aspects of orange production when applied at two developmental plant stages: flowering and initial fruit development (fruits 2 cm diameter or smaller). Increasing drifts of clomazone, in two formulations, and clomazone in mixtures with ametryn were tested. Fruit morphological features, fruit color, flower and fruit abortion and leaf chlorophyll content were evaluated. Simulated drift similar to the recommended dose of clomazone and clomazone plus ametryn caused fruit abortion in citrus at the stage of fruits 2 cm diameter or smaller. Lower drift doses did not result in fruit abortion. Fruit diameter reduction was observed with drift off above 25% of clomazone alone recommended rate and 50% when in mixture with ametryn or in microcapsule formulation. Clomazone drift at 50% of the recommended rate (alone or in mixture with ametryn ) caused clorotic and necrotic spots in the fruit peel. Drift did not affect juice quality in any of the treatments tested.

Stability of curcumin microencapsulated by spray and freeze drying in binary and ternary matrices of maltodextrin, gum arabic and modified starch

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)