نانوکپسولاسیون

نانوکپسولاسیون (Nanoencapsulation) نقش مهمی در زمینه علوم غذایی ایفا می‌کند، زیرا باعث بهبود پایداری (stability)، حلالیت (solubility) و فراهمی زیستی (bioavailability) ترکیبات طبیعی (natural compounds) در ماتریس‌ها (matrices) و صنایع غذایی (food industries) می‌شود [1].
این نانوتکنولوژی نویدبخش می‌تواند به طور مؤثر در مراحل مختلف تولید مواد غذایی به کار رود[2].
تکنیک‌های متنوعی از نانوکپسوله‌سازی می‌توانند برای محصور کردن (encapsulate) و دفاع از مواد غذایی (food ingredients) در برابر شرایط مضر به کار روند، در نتیجه پایداری و ماندگاری (viability) آنها افزایش می‌یابد [3].
کاربردهای نانوکپسولاسیون در صنایع غذایی بسیار متنوع است و شامل دستکاری بافت اجزای غذا (manipulation of food component texture)، محصور کردن مواد غذایی، ایجاد طعم‌های جدید (creation of novel tastes) و آزادسازی کنترل‌شده طعم‌ها (controlled release of flavors) می‌شود[4].
علاوه بر این، به عنوان راهی برای تحویل یا رهش (رهش انفجاری یا کنترل‌شده) ترکیبات زیست فعال (bioactive compounds) و مواد مغذی ایمن و پایدار (nutraceuticals) عمل می‌کند [5].
نانوکپسولاسیون در بسته‌بندی مواد غذایی (food packaging)، پوشش‌های خوراکی (edible coatings)، محصور کردن یک عامل زیست فعال چربی‌دوست (lipophilic bioactive agent)، مواد غذایی، افزودنی‌ها (additives) و غذاهای منجمد غنی شده (fortified frozen foods) اثبات شده است.
سیستم‌های مایع-مایع (liquid−liquid)، جامد-مایع (solid−liquid) و جامد-جامد (solid−solid) دسته‌بندی سیستم‌های نانوکپسوله‌شده را تشکیل می‌دهند.
دو راه برای توسعه نانوذرات (nanoparticles) وجود دارد. روش اول از یک استراتژی از بالا به پایین (top-down strategy) برای کاهش اندازه ذرات بزرگتر میکرون به نانوذرات استفاده می‌کند.
نمونه‌هایی از این تکنیک‌ها شامل همگن‌سازی فشار بالا (high-pressure homogenization)، میکرونیزاسیون (micronization) و سایر روش‌هایی است که نیاز به ورودی با چگالی انرژی بالا دارند.
تکنیک دوم شامل ایجاد نانوذرات با استفاده از فرآیند از پایین به بالا (bottom-up)، بارش (precipitation) یا فرآیندهای کواسرواسیون (coacervation) است.
ممکن است با مدیریت و درک صحیح این فرآیندها، کپسول‌های مبتنی بر نانوذرات مناسب ساخته شوند.
سیستم‌های نانوکپسوله‌شده مایع-مایع شامل کپسوله‌سازی ترکیبات زیست‌فعال مایع در نانوذراتی است که بر پایه مایع هستند (مانند روغن و آب).
این نانوذرات، مانند نانوکپسول‌ها (nanocapsules) و نانوامولسیون‌ها (nanoemulsions)، برای مواد فعال خاص به منظور افزایش آزادسازی و پایداری ترکیبات کپسوله‌شده ساخته شده‌اند [6].
نانوامولسیون‌ها به عنوان سیستم‌های مایع دو فازی (two-phase liquid systems) طبقه‌بندی می‌شوند که با اندازه قطرات زیر ۲۰۰ نانومتر مشخص می‌گردند و در نتیجه پایداری تقویت‌شده و امکان مقیاس‌پذیری را فراهم می‌کنند[7].
تکنیک‌های نانوکپسوله‌سازی مبتنی بر مایع شامل کواسرواسیون (coacervation)، کپسوله‌سازی گنجاندن (inclusion encapsulation)، نانورسوب (nanoprecipitation)، تبخیر حلال-امولسیون‌سازی (emulsification-solvent evaporation) و روش‌های سیال فوق بحرانی (supercritical fluid methods) هستند [8]. این تکنیک‌ها امکان تحویل ترکیبات زیست فعال به صورت هدفمند و محل-ویژه (site-specific) را فراهم می‌کنند، در حالی که جذب کارآمد از طریق هدف (مانند میکروارگانیسم‌ها) را نیز تضمین می‌کنند.
میکروکپسول‌های کلوئیدی (colloidal microcapsules) که توسط پوسته‌های نانو/ریز ذرات (nano/microparticle shells) تثبیت می‌شوند، دسته‌ای از سیستم‌های نانوکپسوله‌شده مایع-مایع را نشان می‌دهند که کاربردهایی در علوم غذایی، پزشکی، دارورسانی (drug delivery)، کپسوله‌سازی و ریزراکتورها (microreactors) پیدا می‌کنند.
این میکروکپسول‌ها را می‌توان از طریق استفاده از بلوک‌های ساختمانی در سطح مشترک مایع-مایع که در مقیاس نانومتری (nanometer scale) هستند، سنتز کرد.
یکی دیگر از روش‌های کپسول‌سازی، سیستم نانوکپسوله‌شده جامد-مایع است که از یک هسته جامد یا مایع در یک پوسته پلیمری (polymeric shell) تشکیل شده است[9].
این نانوکپسول‌ها (nanocapsules) برای بهبود پایداری و رهاسازی تنظیم‌شده (regulated release) مواد فعال، عوامل ضدباکتریایی (antibacterial agents)، آنتی‌اکسیدان‌ها (antioxidants)، جمع‌آورها (scavengers)، داروها (drugs) یا پروتئین‌ها (proteins) ساخته شده‌اند[10,11].
غشای پلیمری نانوکپسول‌ها، که ممکن است برای هدف‌گیری و اثرات رهاسازی خاص سفارشی شود، پایداری افزایش یافته و رهاسازی کنترل‌شده را ارائه می‌دهد[10].
کاربردهای نانوکپسول‌های مایع-جامد شامل توسعه سیستم‌های بسته‌بندی فعال و هوشمند غذا (active and smart food packaging systems)، غذاهای غنی‌شده (enriched foods)، پوشش‌دهی (coating) و دارو (به عنوان مثال، دارورسانی از طریق پوست (transdermal medication delivery)، درمان سرطان (cancer therapy)، هدف‌گیری تومور (tumor targeting)، و لوازم آرایشی (cosmetics)) است [12].
سیستم‌های نانوکپسوله‌شده جامد-جامد نوعی از نانوکپسول‌ها هستند که از یک پوسته لیپیدی جامد (solid lipidic shell) و یک هسته لیپیدی که مایع است، ساخته شده‌اند. این هسته مملو از موادی است که در آب محلول (soluble in water) یا قابل پخش هستند و به شکل یک سیستم میسلی معکوس (reverse micellar system) وجود دارند [13].
هدف اصلی این سیستم‌ها افزایش پایداری و آزادسازی کنترل‌شده مواد فعال است که می‌تواند شامل ترکیباتی که دارای خواص دارویی (pharmacological properties)، ضدباکتریایی (antibacterial properties)، آنتی‌اکسیدانی (antioxidant properties) یا آرایشی (cosmetic properties) هستند باشد[4].
برای مثال، ترکیبات مسئول فعالیت ضدباکتریایی زعفران، سافرانال (safranal) و کروسین (crocin) هستند [14]. مکانیزم فعالیت ضدباکتریایی ترکیبات زعفران، به ویژه سافرانال و کروسین، شامل توانایی آنها در فراهم بودن به راحتی برای میکروارگانیسم‌های آلوده به دلیل فراریت (volatility) و/یا حلالیت در آب است.
این ترکیبات با برهمکنش با دیواره‌های سلولی باکتری‌ها به نابودی میکروب‌ها کمک می‌کنند و بر نفوذپذیری آنها تأثیر می‌گذارند و منجر به آزادسازی اجزای درون‌سلولی می‌شوند.
علاوه بر این، خواص ضد میکروبی ترکیبات زعفران مربوط به محتوای پلی‌فنول‌ها (polyphenols)، فلاونوئیدها (flavonoids)، ترپن‌ها (terpenes) و اسیدهای چرب (fatty acids) است که در حمله به دیواره‌های سلولی و تأثیر بر عملکردهای غشایی مانند انتقال الکترون (electron transfer)، فعالیت آنزیم‌ها (enzyme activity) و جذب مواد مغذی (nutrient absorption) نقش دارند.
اندازه نانوکپسول‌ها (nanocapsules) به طور متوسط کمتر از 1 میکرومتر (1μm) است و از دو فاز تشکیل شده‌اند: 1) چربی‌دوست (lipophilic) که حاوی فسفولیپیدها (phospholipids) و اسیدهای چرب (fatty acids) است
2) آبدوست (hydrophilic) که شامل کیتوزان (chitosan) و ترکیبی است که پلی‌اکسی‌آلکیلن شده (polyoxyalkylenated) است[15].
استفاده از سیستم‌های نانوکپسوله‌شده جامد-جامد (solid-solid nanoencapsulated systems) باعث بهبود فارماکوکینتیک (pharmacokinetics)، توزیع زیستی (biodistribution)، حلالیت (solubility)، پایداری (stability) و کاهش سمیت (toxicity) می‌شود.
در نتیجه، می‌توان از آنها در توسعه پوشش‌های جدید خود ترمیم‌شونده (self-healing coatings)، مواد ضدباکتری (antibacterial materials) و ماتریس‌های تنظیم‌کننده حرارت (thermoregulating matrices) استفاده کرد.
بسته‌بندی مواد غذایی (food packaging) با ادغام نانوکپسولاسیون (nanoencapsulation) دارای چندین مزیت احتمالی است.
می‌تواند اکسیژن (oxygen) و رطوبت (moisture) را از بین ببرد، اثرات ضدباکتریایی (antibacterial effects) داشته باشد، به عنوان یک سد گاز (gas barrier) عمل کند، قوی (strong) و انعطاف‌پذیر (flexible) باشد، و تازگی (freshness) را کنترل کند [16]
تمامی این ویژگی‌ها به مواد غذایی کمک می‌کند تا ماندگاری طولانی‌تری در بازار داشته باشند و کیفیت خود را حفظ کنند بدون اینکه خراب شوند.
علاوه بر این، مواد بسته‌بندی مبتنی بر نانوتکنولوژی (nanotechnology-based nanopackaging materials) ویژگی‌های مانع (barrier qualities) و مکانیکی (mechanical qualities) بهبود یافته را ارائه می‌دهند که باعث می‌شود حفاظت از غذا به واسطه رهاسازی کنترل‌شده مواد نگهدارنده (preservatives) یا ضد میکروب‌ها (antimicrobials) بهتر شود[4].
علاوه بر این، ادغام نانوکپسولاسیون می‌تواند پایداری، حلالیت و فراهمی زیستی (bioavailability) مواد موجود در غذا را بهبود بخشد. این بهبود باعث می‌شود تا این مواد برای کاربرد در مقیاس (scale) مناسب‌تر شوند [17].
به‌وسیله‌ی ترکیب نانوکامپوزیت‌ها (nanocomposites)، نانوذرات (nanoparticles) و نانوپلیمرها (nanopolymers) در فیلم‌ها و پوشش‌ها (films and coatings)، استفاده از نانوکپسولاسیون کیفیت مواد بسته‌بندی مواد غذایی را به طور قابل‌توجهی افزایش داده است.
این پیشرفت‌ها استحکام (strength)، مقاومت حرارتی (thermal resistance)، انعطاف‌پذیری و دوام (durability) را ارائه می‌دهند. استفاده از این فناوری امکان راه‌حل‌های بسته‌بندی مناسب برای انواع مواد غذایی از جمله گوشت، غذاهای دریایی، میوه‌ها، سبزیجات و مایعات را فراهم می‌کند.
این مزایا با ترکیب نگهدارنده‌های طبیعی (natural preservatives) و ضد میکروبی (antimicrobials) به دست می‌آیند.
یکی از مواد اصلی با فعالیت‌های ضدباکتریایی (antibacterial activities) و آنتی‌اکسیدانی (antioxidant activities)، عصاره‌های گیاهی (herbal extracts) هستند که به‌طور گسترده در توسعه بسته‌بندی مواد غذایی فعال (active food packaging) جدید استفاده شده‌اند.
نانوکپسوله کردن عصاره گیاهی مزایای احتمالی زیادی دارد. ابتدا، فراهمی زیستی و سیستمیک (systemic) فعال‌های گیاهی (herbal actives) را که اغلب دارای وزن مولکولی بزرگ (large molecular weight) و حلالیت چربی (lipid solubility) محدودی هستند، بهبود می‌بخشد[18].
حلالیت بهتر در غشاهای دستگاه گوارش (gastrointestinal tract membranes) غنی از چربی با این روش تحویل ارتقا می‌یابد که اثرات ضدباکتریایی و آنتی‌اکسیدانی را بهبود می‌بخشد[19].
علاوه بر این، نانوکپسولاسیون در حفظ اجزای عصاره‌های گیاهی نقش دارد. این فرآیند باعث افزایش پایداری آنها می‌شود. این امر آنها را برای گنجاندن در طیف وسیعی از فرمول‌های تغذیه‌ای (nutraceutical formulations) مناسب می‌سازد[20].
برای ارائه تجویز طولانی‌مدت و هدفمند، روش کپسوله‌سازی همچنین اجازه آزادسازی منظم مواد فعال گیاهی را می‌دهد[21]. علاوه بر این، پروفایل حلالیت (solubility profile) عصاره‌های گیاهی از طریق نانوکپسولاسیون می‌تواند افزایش یابد، که منجر به بهبود جذب‌پذیری (absorbability) و پراکندگی (dispersibility) آنها می‌شود[22].
به‌طور کلی، اتخاذ تکنیک‌های نانوکپسولاسیون برای عصاره‌ها (extracts)، رویکردی برای غلبه بر محدودیت‌های مرتبط با سیستم‌های بسته‌بندی معمولی مواد غذایی و در عین حال بهبود خواص ضدباکتریایی این عصاره‌ها و اسانس‌ها (essential oils) ارائه می‌دهد.

Taouzinet, L.; Djaoudene, O.; Fatmi, S.; Bouiche, C.; AmraneAbider, M.; Bougherra, H.; Rezgui, F.; Madani, K. Trends of Nanoencapsulation Strategy for Natural Compounds in the Food Industry. Processes 2023, 11 (5), 1459.

Salem, M. A.; Ezzat, S. M. Nanoemulsions in food industry. Some new aspects of colloidal systems in foods 2019, 2, 238−267.

Alam, M. S.; Kaur, M.; Kour, J. An Overview of Various Nanosystems for Encapsulating Nutraceuticals. Handbook of Nanoencapsulation 2023, 1−24.

Vasisht, N. Nanoencapsulation in the food industry. In Microencapsulation in the Food Industry; Elsevier, 2023; pp 209−213.

Choudhary, M.; Kaur, A.; Kaur, P. Recent Development in Nanoencapsulation of β-Sitosterol and γ-Oryzanol and Food Fortification. Handbook of Nanoencapsulation: Preparation, Characterization, Delivery, and Safety of Nutraceutical Nanocomposites 2023, 65−81.

Renovato-Nuń ̃ez, J.; Cobos-Puc, L. E.; Viveros-Valdez, E.; Iliná, A.; Segura-Ceniceros, E. P.; Rodríguez-Herrera, R.; Silva-Belmares, S. Y. Nanoencapsulated Systems for Delivery of Phytopharmaceuticals. Advances in Novel Formulations for Drug Delivery 2023, 127−151.

Anandharamakrishnan, C.; Anandharamakrishnan, C. Liquid-based nanoencapsulation techniques. Techniques for Nanoencapsulation of Food Ingredients 2014, 29−41.

Patra, D.; Sanyal, A.; Rotello, V. M. Colloidal Microcapsules: Self-Assembly of Nanoparticles at the Liquid-Liquid Interface. Chemistry-An Asian Journal 2010, 5 (12), 2442−2453.

Su, W.; Darkwa, J.; Kokogiannakis, G. Review of solid-liquid phase change materials and their encapsulation technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2015, 48, 373−391.

Deng, S.; Gigliobianco, M. R.; Censi, R.; Di Martino, P. Polymeric nanocapsules as nanotechnological alternative for drug delivery system: current status, challenges and opportunities. Nanomaterials 2020, 10 (5), 847.

Brandelli, A.; Brum, L. F. W.; dos Santos, J. H. Z. Nanostructured bioactive compounds for ecological food packaging. Environmental chemistry letters 2017, 15, 193−204.

Kojima, R.; Hidaka, S.; Taira, M.; Kohri, M.; Taniguchi, T.; Kishikawa, K.; Karatsu, T.; Okabe, E.; Kondo, F. Preparation of liquid crystal nanocapsules by polymerization of oil-in-water emulsion monomer droplets. J. Colloid Interface Sci. 2020, 563, 122−130.

Khare, A. R.; Vasisht, N. Nanoencapsulation in the food industry: Technology of the future. In Microencapsulation in the Food Industry; Elsevier, 2014; pp 151−155.

Muzaffar, S.; Rather, S. A.; Khan, K. Z. In vitro bactericidal and fungicidal activities of various extracts of saffron (Crocus sativus L.) stigmas from Jammu & Kashmir, India. Cogent Food & Agriculture 2016, 2 (1), 1158999.

Pena, A. I. V.; Luque, S. S.; Fernandez, M. J. A. Stable nanocapsule systems for the administration of active molecules. US Patent, US20090074824A1, 2009.

Paredes, A. J.; Asensio, C. M.; Llabot, J. M.; Allemandi, D. A.; Palma, S. D. Nanoencapsulation in the food industry: manufacture, applications and characterization. J. Food Bioeng. Nanoprocess. 2016, 1 (1), 56−79.

Dash, K. K.; Deka, P.; Bangar, S. P.; Chaudhary, V.; Trif, M.; Rusu, A. Applications of inorganic nanoparticles in food packaging: A Comprehensive Review. Polymers 2022, 14 (3), 521.

Wickramasinghe, A. S. D.; Attanayake, A. P.; Kalansuriya, P. Herbal Extracts Encapsulated Nanoliposomes as Potential Glucose-lowering Agents: An in Vitro and in Vivo Approach Using Three Herbal Extracts. J. Pharm. Sci. 2023, 112 (9), 2538−2551.

Priya, V. M. H.; Kumaran, A. Recent Trends in Phytosome Nanocarriers for Improved Bioavailability and Uptake of Herbal Drugs. Pharm. Sci. 2023, 29 (3), 298−319.

de Souza, B. V. C.; de Morais Sousa, M.; Sattler, J. A. G.; Santana, A. C. S. G. V.; de Carvalho, R. B. F.; Neto, J. d. S. L.; de Matos Borges, F.; Numa, I. A. N.; Ribeiro, A. B.; Nunes, L. C. C. Nanoencapsulation and bioaccessibility of polyphenols of aqueous extracts from Bauhinia forficata link. Food Chem.: Mol. Sci. 2022, 5, 100144.

Ligarda-Samanez, C. A.; Choque-Quispe, D.; Moscoso-Moscoso, E.; Palomino-Rincón, H.; Taipe-Pardo, F.; Landa, J. P. A.; ArévaloQuijano, J. C.; Muñoz-Saenz, J. C.; Quispe-Quezada, U. R.; Huamán-Carrión, M. L.; et al. Nanoencapsulation of Phenolic Extracts from Native Potato Clones (Solanum tuberosum spp. andigena) by Spray Drying. Molecules 2023, 28 (13), 4961.

Shrivastava, V.; Patel, B.; Jain, A. K. Biological Approaches to Nanoparticles Synthesis and their Applications in the Development Of Herbal Formulations. Nanoparticles and Nanocarriers Based Pharmaceutical Formulations 2022, 436.