Sustainable strategies to obtain stable natural food colors from natural pigments

Abstract

Color is an important sensory feature of food, and often determines its appeal to consumers. Adding color to food products is a very common strategy to enhance consumers expectations. However, legislative action, the continued delisting of synthetic colorants and the growing demand for nature-based products have increased the search for natural colorants in the past few years. Despite their many advantages over synthetic colorants, natural pigments present some limitations such as their low solubility in water, low bioavailability, and lower stability. Therefore, solutions to improve these properties in natural colorants are necessary, and the use of nanoemulsions has been shown to be very effective. In this study, two bio-based emulsifiers, namely rhamnolipids and potato proteins, were used to create colored nanoemulsions containing different natural colors, namely lycopene, β-carotene, curcumin, and chlorophyll. The main goal of this research is to see if these approaches can allow to obtain stable nanoemulsions using natural colors obtained from plants, animals, and, in particular agri-food residues such as tomato waste. To take an even more sustainable approach, a tomato waste crude extract was used to make a nanoemulsion and compared to a commercial extract. A comparison of synthetic and natural β-carotene was also undertaken to further understand the differences in nanoemulsions’ color stability. Droplet sizes, polydispersity index, zeta potential, turbidity, and color of the emulsions were measured during a 30-day period to evaluate their stability. Emulsions produced with potato protein as emulsifier did not present reproducibility, and smaller particle sizes could be obtained by altering the emulsifier type. On the other hand, emulsions produced with rhamnolipids presented particle sizes ranging from 134.9 nm to 318.10 nm and polydispersity index ranging from 0.17 to 0.36, and good stability. The effect of different particle sizes on emulsions color and stability was tested, by varying the sonication duration. Emulsions showed better stability against droplet aggregation and gravitational separation for smaller particle sizes. The lowest color variation was obtained for the smallest droplet sizes kept under refrigeration. Zeta potentials were all smaller than -30 mV, predicting good dispersion stability. Nanoemulsions loaded with natural β-carotene showed better stability to droplet aggregation and less color variation when compared to synthetic β-carotene. Finally, even though very good results were obtained for the commercial lycopene extract obtained from tomato oleoresin, with particle sizes of 134 nm and PDI < 0.3, emulsions produced with this crude tomato waste extract were very unstable. Thus, the study and development of other physical treatments is crucial to obtain stable nanoemulsions consisting of tomato waste pigmented extract.The experimental results presented in this dissertation confirm that rhamnolipids are effective alternatives to produce stable nanoemulsions containing natural pigments, which can then be used in the formulation of natural colored food-products. However, further studies are required to obtain replicas and corresponding statistical confirmation for the most promising systems.

A cor é uma importante característica sensorial dos alimentos, e muitas vezes determina sua atratividade aos consumidores. Adicionar cor aos produtos alimentares é uma estratégia muito comum para aumentar as expectativas dos consumidores. No entanto, a ação legislativa, a continuação da proibição de corantes sintéticos e a crescente demanda por produtos naturais aumentaram a busca por corantes naturais nos últimos anos. Apesar de suas muitas vantagens sobre corantes sintéticos, pigmentos naturais apresentam algumas limitações, como sua baixa solubilidade na água, baixa biodisponibilidade e menor estabilidade. Portanto, soluções para melhorar essas propriedades em corantes naturais são necessárias, e o uso de nanoemulsões para este efeito tem se mostrado muito eficaz. Neste estudo, dois emulsificantes de base biológica, ramnolípidos e proteínas de batata, foram usados para criar nanoemulsões coloridas contendo diferentes cores naturais, nomeadamente licopeno, β-caroteno, curcumina e clorofila. O principal objetivo desta pesquisa é ver se essas abordagens podem permitir a obtenção de nanoemulsões estáveis usando cores naturais obtidas de plantas, animais e, em particular, resíduos agroalimentares, como resíduos de tomate. Para adotar uma abordagem ainda mais sustentável, um extrato bruto de resíduos de tomate foi usado para fazer uma nanoemulsão e comparado a um extrato comercial. Também foi realizada uma comparação de β-caroteno sintético e natural para entender melhor as diferenças na estabilidade das nanoemulsões. Os tamanhos de partícula, índice de polidispersividade, potencial zeta, turbidez e cor das emulsões foram medidos durante um período de 30 dias para avaliar sua estabilidade. As emulsões produzidas com proteína de batata como emulsificante não apresentaram reprodutibilidade e tamanhos de partículas menores poderiam ser obtidos alterando o emulsificante. Por outro lado, as emulsões produzidas com ramnolípidos apresentaram tamanhos de partículas que variam de 134.9 nm a 318.10 nm e índice de polidispersividade variando de 0.17 a 0.36, e boa estabilidade. O efeito de diferentes tamanhos de partículas na cor e estabilidade das emulsões foi testado, variando a duração da sonificação. As emulsões mostraram melhor estabilidade à agregação de gotículas e separação gravitacional para tamanhos menores de partículas. A menor variação de cor foi obtida para os menores tamanhos de gotículas mantidos sob refrigeração. Os potenciais zeta eram todos menores que -30 mV, prevendo boa estabilidade de dispersão. Nanoemulsões carregadas com β-caroteno natural apresentaram maior estabilidade à agregação de gotículas e menos variação de cor quando comparadas com o β-caroteno sintético. Por fim, embora tenham sido obtidos resultados muito bons para o extrato comercial de licopeno obtido a partir da oleoresina de tomate, com tamanhos de partículas de 134 nm e PDI < 0.3, as emulsões produzidas com este extrato de resíduos de tomate bruto foram muito instáveis. Assim, o estudo e desenvolvimento de outros tratamentos físicos é crucial para a obtenção de nanoemulsões estáveis constituídas por extrato pigmentado de resíduos de tomate.Os resultados experimentais apresentados nesta dissertação confirmam que os ramnolípidos são alternativas eficazes para produzir nanoemulsões estáveis contendo pigmentos naturais, que podem então ser utilizados na formulação de produtos alimentícios de cor natural. No entanto, mais estudos são necessários para obter confirmação estatística para os sistemas mais promissores.