Interazione tra nanoparticelle magnetiche e polifenoli e applicazioni nell'industria alimentare

The noticeable discoveries in the field of nanotechnologies of the last years emphasized the versatility of nanoscience in many fields. New evidences demonstrated that physical and chemical properties of nanomaterials can be tuned to reduce safety issues of nanotechnology applied in food industry. In this context, and inspired by the increasing interest of industry toward nanotechnology, a novel iron oxide magnetic nanoparticle, whose synthesis was developed in our laboratory, was used in association with polyphenols to elaborate hybrid nanomaterials with interesting applications in the food industry field. The magnetic nanoparticles, presenting a size around 10 nm and constituted of stoichiometric maghemite (γ-Fe2O3), were called Surface Active Maghemite Nanoparticles (SAMNs). SAMNs show a peculiar surface chemical behavior, which is highlighted by their high water stability as colloidal suspensions, without any superficial modification or coating derivatization. In addition, SAMN production is cost-effective and eco-friendly, and these nanoparticles can be advantageously reutilized. SAMNs are able to immobilize various biomolecules and the availability of iron (III) atoms on the particle surface provides to the nanomaterial the ability to selectively bind selected molecules. Thereby, upon molecule immobilization, a core-shell complex is formed, combining the magnetism of SAMNs (the core) and the function provided by the chosen molecule (the shell). Among several other biomolecules, phenolic compounds have a high affinity for maghemite nanoparticles. This occurs because the phenolic compounds have chelating groups that react with the iron (III) sites available on the surface of SAMNs. The immobilization of phenolic compounds on the surface of SAMNs is very stable and conserved upon binding, making it possible to use the resulting complex for various purposes, such as magnetic purification, drug delivery, etc. Thus, this study proposes the development of two hybrid nanostructure by coating SAMNs with tannic acid (TA) and curcumin (CUR). Both core-shell nanostructures, SAMN@TA and SAMN@CUR, presented high stability and were deeply characterized with different techniques. SAMN@TA was successfully applied for the creation of an electrochemical sensor for the detection of polyphenol content in blueberries by square wave voltammetry. Furthermore, the antimicrobial properties of SAMN@TA were successfully tested on Listeria monocytogenes. Due to the effectiveness on reducing bacterial growth and easy removal from the system, SAMN@TA represents a possible alternative to antibiotic methods for the elimination of foodborne pathogens. Finally, the use of SAMN@CUR was proposed as a purification method to improve the extraction of pure curcumin from biological samples. The results demonstrated a sustainable and highly efficient magnetic purification process for curcumin as well as an outstanding yield of 90% and a purity > 98%. In conclusion, the reported multiple uses of SAMNs, ranging from biomolecule purification to foodborne pathogen control, offer valuable insights into the versatility of the nanomaterial and its potential applications in the food industry.

Le notevoli scoperte nel campo delle nanotecnologie degli ultimi anni hanno enfatizzato la versatilità della nanoscienza in molti campi. Nuove prove hanno dimostrato che le proprietà fisiche e chimiche dei nanomateriali possono essere regolate per ridurre i problemi di sicurezza delle nanotecnologie applicate nell'industria alimentare. In questo contesto, e ispirato dal crescente interesse dell'industria verso la nanotecnologia, una nuova nanoparticella di ossido di ferro, la cui sintesi è stata sviluppata nel nostro laboratorio, è stata utilizzata in associazione con i polifenoli per elaborare nanomateriali ibridi con interessanti applicazioni nel campo dell'industria alimentare. Le nanoparticelle magnetiche, che presentavano una dimensione di circa 10 nm e costituite da maghemite stechiometrica (γ-Fe2O3), erano chiamate nanoparticelle di magnesio attivo superficiale (SAMN). I SAMN mostrano un comportamento chimico superficiale peculiare, che è evidenziato dalla loro elevata stabilità idrica come sospensioni colloidali, senza alcuna modifica superficiale o derivatizzazione del rivestimento. Inoltre, la produzione di SAMN è economica ed eco-compatibile, e queste nanoparticelle possono essere vantaggiosamente riutilizzate. I SAMN sono in grado di immobilizzare varie biomolecole e la disponibilità di atomi di ferro (III) sulla superficie delle particelle fornisce al nanomateriale la capacità di legare selettivamente molecole selezionate. In tal modo, dopo l'immobilizzazione della molecola, viene formato il complesso nucleo-guscio, combinando il magnetismo dei SAMN (il nucleo) e la funzione fornita dalla molecola scelta (il guscio). Tra molte altre biomolecole, i composti fenolici hanno un'alta affinità per le nanoparticelle di magnetite. Ciò si verifica perché i composti fenolici hanno gruppi chelanti che reagiscono con i siti di ferro (III) disponibili sulla superficie dei SAMN. L'immobilizzazione dei composti fenolici sulla superficie dei SAMN è molto stabile e conservativa al momento del legame, rendendo possibile l'uso del complesso risultante per vari scopi, come la purificazione magnetica, il rilascio di farmaci, ecc. Pertanto, questo studio propone lo sviluppo di due nanostrutture ibride rivestendo SAMN con acido tannico (TA) e curcumina (CUR). Sia le nanostrutture core-shell, SAMN @ TA e SAMN @ CUR, hanno presentato un'elevata stabilità e sono state profondamente caratterizzate da diverse tecniche. SAMN @ TA è stato applicato con successo per la creazione di un sensore elettrochimico per il rilevamento del contenuto di polifenoli nei mirtilli mediante voltammetria ad onda quadra. Inoltre, le proprietà antimicrobiche di SAMN @ TA sono state testate con successo su Listeria monocytogenes. A causa dell'efficacia nel ridurre la crescita batterica e la facile rimozione dal sistema, SAMN @ TA rappresenta una possibile alternativa ai metodi antibiotici per l'eliminazione dei patogeni di origine alimentare. Infine, l'uso di SAMN @ CUR è stato proposto come metodo di purificazione per migliorare l'estrazione di curcumina pura da campioni biologici. I risultati hanno dimostrato un processo di purificazione magnetica sostenibile ed estremamente efficace per la curcumina, nonché una resa eccezionale del 90% e una purezza> 98%. In conclusione, gli usi multipli segnalati di SAMN, che vanno dalla purificazione della biomolecola al controllo dei patogeni di origine alimentare, offrono preziose informazioni sulla versatilità del nanomateriale e le sue potenziali applicazioni nell'industria alimentare.