Colloidal stability of native and cross-linked casein micelles and their potential use as nanocarrier for cyanidin-3-O-glucoside

Abstract

Casein micelles (CMs) are natural supramolecular assemblies present in milk. Their average hydrodynamic diameter is about 200nm and they present a hydrophobic core and a hydrophilic shell. CMscan be used as natural nanocarriers to deliver various moleculesof interest. Although CMs are quite stable against heat, their structure is highly sensitive to ionic changes, especially at acid pH. An interesting method to stabilize casein structure consists on itscross-linking, by joining casein molecules through covalent bonds.In this context, the objective of the present work is first to investigate the stability of cross-linked CMs under different pH, dissociating agents, temperature, and ethanol conditions. Then, verify their potential use as nanocarrier for entrapped cyanidine-3-O-glucoside (C3G), an anthocyanin present in several Brazilian’s fruits, that shows diverse bioactive properties in acid conditions. Two cross-linking agents were evaluated: genipin (GP) and transglutaminase (Tgase). We present a comparative study of the stability between native CMs and CMs cross-linked with GP or Tgase as a function of pH. Stabilities at different temperatures and ethanol concentrations were investigated in a pH range between 7.0 – 2.0 and results showed that the cross-linkingreaction stabilized CMs under the conditions tested.However, GP is not recognized as GRAS (safe for food applications) and further researches on toxicity would be required to implement their use as a food-grade cross-linker. For this reason, in the second part of our work, we focalize only on Tgase cross-linked CMswith perspectives of using it for food applications.Firstly we investigated on the possible interaction between casein molecules and C3G under acidic (pH 2.0) and neutral (pH 7.0) conditions. Then, the use of Tgasecross-linked CMs as nanocarrier for C3G at pH 2.0 and at pH 7.0 was explored. Binding constant as well as driving forces at different pH values were determined by thermodynamic analysis at different temperatures. At pH 2.0, hydrophobic association drive the interactions between caseins and C3G, whereas at pH 7.0, electrostatic interactions are the dominant binding forces. CMs Cross-linking by Tgase don’t affect the interactions between C3G and caseins meaning it can be used as efficient nanocarriers for anthocyanins such as C3G under acid conditions.

Micelas de caseína (MCs) são estruturas supramoleculares naturais presentes no leite. Seu diâmetro hidrodinâmico médio é de 200 nm e apresenta um núcleo hidrofóbico e uma membrana hidrofílica. MCs podem ser usadas como nanocarreadores naturais para liberar várias moléculas de interesse. Apesar das MCs serem bastante estáveis ao calor, sua estrutura é altamente sensível a mudanças iônicas especialmente em pH ácido. Um interessante método para estabilizar a estrutura da caseína consiste na sua reticulação pela união de moléculas de caseínas por meio de ligações covalentes. Neste contexto, o objetivo desse presente trabalho é investigar a estabilidade de MCs reticuladas sob diferentes pHs, agentes dissociadores, temperatura e condições alcóolicas. Assim, verificar o seu potencial como nanocarreador para aprisionar cianidina-3-O- glicosídeo (C3G), um antocianina presente em várias frutas brasileiras que apresenta diversificada propriedade bioativa em condições ácidas. Dois agentes reticuladores foram avaliados: genipina (GP) e transglutaminase (Tgase). Nós apresentamos um estudo comparativo da estabilidade entre MCs nativas e MCs reticuladas com GP ou Tgase em função do pH. A estabilidade em diferentes temperaturas e concentrações de etanol foram investigadas em uma faixa de pH entre 2,0 - 7,0 e os resultados apresentaram que a reação de reticulação estabilizou as MCs sob as condições testadas. No entanto, GP não é reconhecida como GRAS (segura para aplicação em alimentos) a pesquisas adicionais sobre sua toxicidade devem ser requeridas para implementar o seu uso como reticulador em alimentos. Por essa razão, na segunda parte do nosso trabalho, nós restringimos somente nas MCs reticuladas com Tgase com a perspectiva do seu uso em aplicações alimentícias. Primeiramente nós investigamos sobre a possibilidade de interação entre as moléculas de caseína e C3G em condições ácida (pH 2,0) e neutra (pH 7,0). Desta forma, o uso de MCs reticuladas por Tgase como nanocarreadores de C3Ga pH 2,0 e a pH 7,0 foram exploradas. A constante de ligação tão bem quanto as forças dirigentes a diferentes valores de pH foram determinadas por meio de análises termodinâmicas a diferentes temperaturas. A pH 2,0, a associação hidrofóbica dirigiu as interações entre a caseína e C3G, enquanto a pH 7,0, as interações eletrostáticas são as forças dirigentes dominantes. MCs reticulada com Tgase não afeta as interações entre C3G e as caseínas significando que elas podem ser usadas como eficientes nanocarreadores para antocianinas como a C3G em condições ácidas.