Microalgae-derived lutein/zeaxanthin in yolk oil and dry emulsions: chemical stability and bioaccessibility

Abstract

Lutein and zeaxanthin (L/Z), macular pigments, protect the eyes from high-energy light and reactive free radicals. These compounds should be supplemented through dietary intake since they are not synthesized naturally in the human body. as a potential source of L/Z, microalgae have advantages over marigold flowers, the major source of L/Z, in terms of growth rate, labor intensity, and sustainability. Several attempts to manipulate the molecular biology of microalgae have been implemented to modify the carotenoid synthesis pathway to produce mutants that co-accumulate L/Z. However, the application of these mutants in the food systems is restricted due to the legislation regarding the safety issue. Therefore, L/Z-rich microalgae mutants are supplemented to an animal feed, or microalgae-derived L/Z are encapsulated in nutrient delivery systems. Hence, in this study, Dunaliella tertiolecta mp3 mutant powder was added to the hen diet to produce L/Z-fortified eggs and then degradation kinetics of L/Z in yolk oil under different storage conditions were studied. Furthermore, L/Z-loaded oil was extracted from Chlamydomonas reinhardtii ΔZEP1 mutant and encapsulated in dry emulsion systems. The chemical stability and bioaccessibility of L/Z in dry emulsions were assessed under gastrointestinal conditions. In chapter 1, L/Z contents in egg yolks increased with the addition of Dunaliella tertiolecta mp3 mutant powder to the hen diet. Feeding the powder at 0.8–1.6% efficiently increased L/Z contents more than twice and intensified the yolk color as compared to the control group. L/Z-enriched yolk oil contained 0.640 mg/g of lutein and 0.471 mg/g of zeaxanthin. Subsequently, the L/Z stability in yolk oil was evaluated under different conditions: temperature (4, 25, 37, and 55 °C), light (884 lux and dark), and atmosphere (ambient air and nitrogen). As a result, L/Z in yolk oil were well preserved below 25 °C and in dark condition regardless of the presence of air. In chapter 2, L/Z-loaded oil extracted from Chlamydomonas reinhardtii ΔZEP1 mutant was emulsified by ultrasonicated proteins from black soybean Aquasoya (UPBSA) and the emulsions were spray-dried to improve the gastrointestinal stability and bioaccessibility. For the preparation of UPBSA, proteins were recovered from black soybean Aquasoya, legume cooking water, and ultrasonicated at a frequency of 40 kHz at 350 W for different periods (0, 20, 40, and 60 min). The protein structure became loose as the spatial conformation changed after ultrasound treatment. Moreover, the ultrasonic treatment resulted in an increase in free sulfhydryl content and a reduction in particle size. Consequently, the emulsion stability was enhanced by 40 min of ultrasound treatment. With the UPBSA with improved emulsion stability, emulsions were formulated and then spray-dried at 145 ℃ with maltodextrin as a carrier agent (at different ratios). Further, the characteristics of original and reconstituted emulsions and encapsulates were studied. High contents of UPBSA positively affected the emulsion properties by reducing the droplet size and increasing the physical stability of the emulsions. Dry emulsions formulated with 1.0% and 1.5% UPBSA had better powder characteristics in terms of flowability, surface oil contents, and encapsulation efficiency than those with 0.5% UPBSA. After rehydration of encapsulates, oil droplet size increased, and creaming occurred quickly. L/Z in the reconstituted emulsions with 1.0% UPBSA were the best preserved and micellized during in vitro digestion. This study demonstrates the protective capacity of dry emulsions structured by UPBSA for nutraceuticals. |루테인/지아잔틴은 고에너지 청색광을 흡수하고 자유 라디칼을 소거함으로써 망막세포의 손상으로부터 눈을 보호하며 노인성 안과질환인 연령관련 황반변성의 예방에 도움을 준다. 그러나 루테인/지아잔틴은 체내에서 합성되지 않기 때문에 식이를 통한 보충이 필요한데 급원으로는 금잔화, 녹색 채소, 달걀, 미세조류 등이 있다. 금잔화는 루테인/지아잔틴의 함량이 높아 상업적으로 활용되고 있으나 토지 이용률이 낮고 노동력을 많이 필요로 하다는 단점이 있다. 이에 반해 미세조류는 성장속도가 빠르고 노동력을 적게 요구하며 지속가능하기 때문에 루테인/지아잔틴의 잠재적인 급원이 될 수 있다. 이에 최근에는 분자생물학적 개량을 통해 미세조류의 카로티노이드 생합성경로를 조절하여 루테인/지아잔틴의 축적을 늘린 변이주를 생산하는 연구가 이루어졌다. 그러나 이러한 미세조류 변이주의 직접적인 이용은 식품 안전에 관한 법규로 인해 제약이 따르기 때문에 루테인/지아잔틴을 고함량 축적하는 변이주를 활용하기 위해서는 (1) 미세조류를 동물의 사료 보충제로 이용하거나, (2) 미세조류에서 루테인/지아잔틴을 추출한 후 캡슐화할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Dunaliella tertiolecta mp3 변이주 분말을 산란계 사료에 첨가하여 루테인/지아잔틴이 강화된 달걀을 생산하고, 다양한 저장 조건에서 난황유의 루테인/지아잔틴 저장 안정성을 연구했다. 또한, Chlamydomonas reinhardtii ΔZEP1 변이주에서 루테인/지아잔틴 함유 오일을 추출하여 건조 에멀젼을 통해 캡슐화하고 위장관 조건에서 루테인/지아잔틴의 안정성과 생체접근율을 평가했다. 제1장에서는 산란계 사료에 Dunaliella tertiolecta mp3 변이주 분말을 첨가하여 난황의 루테인/지아잔틴 함량을 증가시켰다. 미세조류 분말을 0.8~1.6%의 비율로 사료에 보충하였을 때 대조군에 비해 루테인/지아잔틴 함량이 2배 이상 증가했고 난황색이 개선되었다. 이후 루테인/지아잔틴이 강화된 달걀에서 난황유를 추출하였고 루테인/지아잔틴 함량은 각각0.640 mg/g, 0.471 mg/g이었다. 난황유를 여러 저장 조건(온도(4, 25, 37 및 55°C), 빛(884lux 및 암소) 및 대기(대기 및 질소))에서 보관하면서 분해 동역학을 분석함으로써 루테인/지아잔틴 안정성을 평가했다. 결과적으로 루테인/지아잔틴은 1차 반응을 따랐고, 25°C 이하의 암소 조건에서 잘 보존되었다. 제2장에서는 Chlamydomonas reinhardtii ΔZEP1 변이주에서 추출한 루테인/지아잔틴 함유 오일을 초음파 처리한 서리태 Aquasoya 단백질(UPBSA)로 유화하고, 유화액을 분무 건조 및 재수화하여 위장관 내 루테인/지아잔틴의 안정성과 생체접근율을 평가했다. UPBSA는 서리태 증자액인 Aquasoya에서 단백질을 회수하고, 350W에서 40kHz의 주파수에서 20, 40 및 60분 동안 초음파 처리하여 제조했다. 초음파 처리 후 UPBSA의 2차 및 3차 구조가 느슨해졌으며 유리 설프하이드릴기 함량이 증가하고 입자 크기가 감소했다. 특히 40분 간의 초음파 처리는 단백질의 유화 안정성을 향상시키는 결과를 가져왔다. 유화 안정성이 증대된 UPBSA와 말토덱스트린을 서로 다른 비율로 혼합하여 유화액을 제조한 후 145 °C에서 분무건조하였다. 원래 및 재수화 유화액에서 UPBSA의 함량이 높을수록 유적 크기는 감소하였고 유화액의 물리적 안정성은 향상되어 유화액 특성에 긍정적인 영향을 미쳤다. 분말 특성은1.0% 및 1.5% UPBSA로 제형화된 건조 유화액 캡슐에서 유동성, 표면 오일 함량 및 캡슐화 효율이 더 우수했다. 건조 유화액 캡슐을 재수화 했을 때 원래 유화액에서보다 유적 크기가 증가하고 크리밍이 빠르게 발생했다. 루테인/지아잔틴은 1.0% UPBSA로 제형화된 건조 유화액 캡슐을 재수화했을 때 모사 소화 동안 위장관까지 가장 잘 보존되었고 가장 높은 생체접근율을 나타났다. 본 연구에서는 루테인/지아잔틴을 고함량 축적하는 미세조류 변이주를 산란계의 사료 첨가제로 활용하였고 루테인/지아잔틴 함유 오일을 캡슐화함으로써 루테인/지아잔틴의 잠재적 급원이 될 수 있는 미세조류의 활용가능성을 입증하였다.