Наногели на основе пищевых биополимеров для инкапсуляции и доставки биологически активных соединений

НАНОГЕЛИ НА ОСНОВЕ ПИЩЕВЫХ БИОПОЛИМЕРОВ ДЛЯ ИНКАПСУЛЯЦИИ И ДОСТАВКИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Основано на материале статьи Food biopolymers-derived nanogels for encapsulation and delivery of biologically active compounds: a perspective review, Food Hydrocolloids for Health, 2022

Биоактивные соединения - это компоненты, содержащиеся в небольших количествах во фруктах, орехах, злаках и других растительных источниках (например, эфирные масла, витамины, минералы, полифенолы, каротиноиды и т.д.). Некоторые биоактивные вещества являются природными антиоксидантами, которые обладают многочисленными полезными свойствами и противоболевой биологической активностью в организме человека. Они оказывают благотворное влияние на здоровье организма, модулируя физиологическую или клеточную активность, и в последнее время особенно активно изучаются в фармацевтической и пищевой промышленности. Однако функциональность большинства биоактивных соединений может быть утрачена в процессе обработки и хранения продуктов питания. Для преодоления этих проблем используются новые системы капсулирования и доставки, такие как технологии на основе липидов (например, наноэмульсии, липосомы), технологии на основе биополимеров (например, наноносители из одного биополимера, сложные наноносители), технологии, вдохновленные природой (например, циклодекстрины, казеины), а также специализированные технологии на основе оборудования (например, нанораспылительная сушилка, электроспиннинг) недавно были использованы для микро/нанокапсулирования биологически активных соединений в пищевой промышленности.

Пищевые материалы, используемые для изготовления наногелей

Пищевые белки

protein-sources-concept-top-view-or-flat-lay-2021-08-26-19-04-01-utc.jpg Белки - это биополимеры, состоящие из различных аминокислот, соединенных пептидными связями. Их можно найти в различных источниках пищи, таких как животные, растения, водоросли или грибы. Несмотря на биологическую функцию протеинов в живых организмах, белки могут улучшать сенсорное восприятие пищевых продуктов, таких как вкус, аромат и текстура.

Соевый белок

Соевый белок - это природный полимер, который в основном используется в пищевой промышленности благодаря своей высокой питательности и способности улучшать текстуру продуктов. Благодаря своей природной распространенности, хорошей биосовместимости и биоразлагаемости, соевый белок широко тестировался в качестве исходного материала для приготовления систем на основе полимеров (например, наногелей) для использования в качестве носителя для инкапсуляции и доставки биоактивных соединений.

Сывороточные протеины

Сывороточные белки представляют собой смесь высокопитательных белков, получаемых изолированием из сыра, таких как a-лактальбумин, b-лактоглобулин, бычий сывороточный альбумин и иммуноглобулины с молекулярной массой от 14 до 1000 кДа. Он широко используется в различных продуктах питания благодаря своим питательным и функциональным характеристикам, таким как желирующие и эмульгирующие свойства. Физико-химические свойства сывороточных белков, в частности b-лактоглобулина, основного сывороточного белка, делают их пригодными для новых пищевых и непищевых применений. Например, сывороточные белки в основном используются в качестве гидрогелей в системах наночастиц для инкапсуляции, защиты и контролируемого высвобождения различных биологически активных соединений. В зависимости от метода, сывороточные белки могут образовывать гидрогели в условиях тепловой и холодной закалки. Сывороточные протеины имеют отрицательный заряд выше своей изоэлектрической точки (pH около 5) и положительный заряд ниже нее. Поэтому они могут быть использованы для сборки структур, основанных на электростатическом взаимодействии, так же, как и другие биополимеры. Кроме того, сывороточные белки проявляют свойства эмульгаторов и, таким образом, могут быть использованы для формирования наноэмульсий типа "масло в воде" в различных методах инкапсуляции.

Казеины

Казеины - это группа достаточно эластичных белков, получаемых из молока, и в бычьем молоке примерно 95% казеинов существует в виде мицелл казеина. Существует четыре основных типа казеинов (as1, as2, b и k), и каждый из них обладает уникальными структурными и функциональными свойствами. Эти свойства включают связывание с молекулами и ионами (например, связывание с ионами, связывание с гидрофобными молекулами), поверхностную активность, самосборку и свойства совместной сборки, свойства гелеобразования, набухание и сжатие геля с учетом рН, взаимодействие с другими белками/полимерами (например, ковалентные конъюгации и нековалентные взаимодействия), экранирующие способности, биосовместимость и биоразлагаемость. Мицеллы казеина выглядят как агрегаты приблизительно сферической формы с диаметром от 50 до 500 нм (в среднем 150 нм) и молекулярной массой от 106 до 3 × 109 Da. Амфифильная структура казеина придает ему отличные поверхностные свойства и может быть использована для стабилизации липидных капель. Молекулы казеина имеют изоэлектрическую точку около pH 4,6 и заряжены положительно при более низком pH и отрицательно при более высоком pH. Из-за существенного снижения электростатического отталкивания в изоэлектрической точке молекул казеина, покрытых казеином капель масла или молекул казеина, структура и физико-химические свойства казеинов могут изменяться, что приводит к получению фракции преципитата (богатой казеином). Кроме того, мицеллы казеина более устойчивы к термической обработке, чем глобулярные белки, благодаря своей структуре и эластичности. Все эти свойства делают казеиновые мицеллы полезными для биоактивных соединений и нутрицевтиков благодаря их способности размещать нерастворимые в воде ингредиенты в своей гидрофобной внутренней части (например, каротиноиды, витамины, полифенолы, масла омега-3 и другие жирные кислоты, минералы), что улучшает стабильность в воде и биодоступность.

Желатин

Желатин - это гидроколлоидный полимер, состоящий из смеси фракций протеина. Обычно его получают либо путем частичной термической денатурации, либо путем ферментативной деградации животного коллагена, полученного из кожи, костей и хрящевых тканей. Основными источниками промышленного желатина являются свиная кожа или бычья шкура и кости. Однако для производства желатина могут использоваться и альтернативные источники, такие как птица и побочные продукты. Несмотря на то, что молекулярная масса желатина значительно ниже, чем у коллагена, она может превышать 30 кДа, что необходимо для его желирующих свойств. Структурно желатин состоит из различных аминокислот, а в коллагене преобладающими аминокислотными остатками являются глицин, пролин и ги- дроксипролин. Характеристики и функциональные возможности желатина зависят от его молекулярной структуры и могут оказывать лучшее влияние на качество и его потенциальное применение. Благодаря своим особым свойствам, таким как хорошая биосовместимость, биоразлагаемость, низкая антигенность и многофункциональность, желатин широко используется в пищевой, нутрицевтической и фармацевтической промышленности для производства капсул, покрытия таблеток, стабилизации эмульсий и доставки лекарств.

Пищевые полисахариды

Полисахариды - другой широко используемый пищевой биополимер для изготовления наноструктур для инкапсуляции и доставки биоактивных соединений. Полисахариды - это полимерные углеводные молекулы, состоящие как минимум из десяти моносахаридных единиц, соединенных гликозидными связями.

Крахмал

Крахмал - это основной легкоусвояемый полисахарид в природе, который в основном содержится в основных культурах, зерновых и корнях растений, включая рис, пшеницу, кукурузу, кукурузу, ячмень, картофель, маниоку и др. В основном он состоит из двух типов биополимеров, амилозы и амилопектина, которые различаются по структуре цепи. Амилоза - это линейный биополимер, состоящий из одного моносахарида глюкозы, соединенного a-(1-4)-D-гликозидными связями. И наоборот, амилопектин - это биополимер с разветвленной цепью, состоящий из a-(1-4)-D-гликозидной основы с ветвями a-(1-6)-D-гликозидных связей. Эти два биополимера собраны в гранулы размером от 1 до 100 мкм. Крахмал широко используется в различных пищевых и непищевых продуктах благодаря своей густоте, желирующим и стабилизирующим свойствам. Однако существует множество ограничений, связанных с нативным крахмалом, таких как низкая растворимость и плохие функциональные свойства, ретроградация и ограниченное ферментативное переваривание. В настоящее время для улучшения их свойств применяется множество химических, ферментативных и физических методов обработки. Нативные и модифицированные крахмальные продукты были широко изучены как перспективные биоматериалы для применения в пищевой и фармацевтической промышленности. Крахмал является легкорастворимым полисахаридом, который можно использовать для систем доставки лекарств и биоактивных веществ благодаря его способности к биодеградации и биосовместимости. Нативные частицы гидрогеля крахмала с размером в диапазоне от 10 до 1000 нм были широко протестированы для инкапсулирования и доставки биоактивных соединений.

Целлюлоза

Целлюлоза считается самым распространенным полисахаридом, получаемым из возобновляемых ресурсов в природе; она содержится в растениях и биологически синтезируется многими живыми организмами, такими как морские животные, бактерии, грибы и различные растения. Целлюлоза состоит из линейных цепочек мономеров глюкозы, соединенных b-1-4 гликозидными связями. Целлюлоза и ее производные являются привлекательными компонентами в нанотехнологиях для инкапсуляции и доставки различных соединений во многих областях благодаря своим подходящим механическим свойствам, биосовместимости и способности к биоразложению. Кроме того, целлюлоза имеет различные реактивные функциональные группы (гидроксильные группы) на своей основе, которые могут быть биохимически или химически изменены (этерификация или этерификация) с образованием различных типов целлюлозных соединений, таких как метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, гидроксипропилметилцеллюлоза, карбоксиметилцелюлоза и карбоксиметилцеллюлоза натрия. Эти производные целлюлозы обычно обладают новым функциональным разнообразием, например, лучшей гидрофильностью, и облегчают синтез наногелей со сложной структурой, которые широко используются в качестве носителей биологически активных соединений.

Пектин

Без названия.jpg Пектин - это природный гетерополисахарид, содержащийся в компонентах клеточной стенки растений, состоящий в основном из остатков поли-a-1-4 галактуроновой кислоты с различной степенью метилирования остатков карбоновых кислот и разнообразных нейтральных сахаров, таких как рамноза, галактоза и арабиноза. Степень этерификации (DE) является важным параметром, который влияет на механизм гелеобразования, условия обработки и свойства пектина и может быть определена как процент от общего количества этерифицированных карбоксильных групп. Что касается классификации DE, пектин может быть разделен на: (i) высокометоксильный пектин (HMP: DE> 50%) и (ii) низкометоксильный пектин (LMP: DE< 50%). Пектин считается безопасным пищевым ингредиентом и обладает рядом других достоинств, таких как стабилизатор эмульсии, желирующие свойства и способность к склеиванию. Кроме того, пектин является биосовместимым и мукоадгезивным, он не переваривается желудочными и кишечными ферментами человека и почти полностью разлагается микробными ферментами в толстой кишке (кишечная микробиота). Значение pKa LMP составляет около 2,9...3.0. Выше pH 4 LMP сильно заряжен отрицательно из-за депротонирования карбоксильных групп на сегментах молекулы, которые могут взаимодействовать с положительно заряженными сегментами других биомолекул, таких как протеины, путем самосборки посредством электростатического взаимодействия.

Другие полисахариды

Ряд пищевых полисахаридов из различных источников также удобен для изготовления наночастиц для инкапсуляции и доставки биологически активных соединений. Природные полисахаридные камеди, такие как гуаровая, ксантановая, каррагиновая и арабская, могут образовывать высокопрозрачные водные растворы и формировать гели при низких концентрациях. Они могут создавать трехмерные сети за счет межмолекулярных взаимодействий между двумя различными полимерными цепями, защищая и доставляя биологически активные соединения и другие вещества. Например, сообщалось о белково-полисахаридных гидрогелях, основанных на притягательных электростатических взаимодействиях между ксантановой камедью и b-лактоглобулином. Кроме того, камедь арабская, карбоксиметилцеллюлоза, каррагинан и альгинат были использованы для приготовления наногелей с липопротеином яичного желтка с помощью метода нанораспылительной сушилки для доставки питательных веществ. Было предположено, что водородные связи, электростатические и гидрофобные взаимодействия были основными силами, участвующими в изготовлении наногелей.

Всплывающие подсказки: Липи́ды (от др.-греч. λίπος — жир) — разнообразная по строению группа биоорганических веществ, с общим свойством — растворимостью в неполярных растворителях. Липиды по способности к гидролизу делятся на две большие группы: омыляемые (сложные эфиры спиртов и жирных кислот: триглицериды, фосфолипиды и т. д.) и неомыляемые липиды (холестерин, витамины А, Е, Д, К). / Липосомы — сферические везикулы, имеющие один или несколько липидных бислоёв. Образуются в смесях фосфолипидов с водой. Внутри липосом содержится вода или раствор, в котором проводилась ультразвуковая обработка. / Циклодекстри́ны — углеводы, циклические олигомеры глюкозы, получаемые ферментативным путём из крахмала. / Казеи́н (лат. caseus — сыр) — сложный белок (фосфопротеид), образующийся из предшественника казеина — казеиногена при створаживании молока. / Альфа-лактальбумин (англ. Lactalbumin, alpha- LALBA) — это важный белок сыворотки коровьего молока, а также молока других млекопитающих, кодируемый в геноме человека геном LALBA. / Бета-лактоглобулин наряду с казеинами входит в состав коровьего и овечьего молока, а также молока многих других животных, за исключением человека. Этот белок содержится в сыворотке и свежем молоке, а также в продукции из гидролизованного коровьего молока, например, детском питании и составляет около 10% белков молока. / Антитела́, иммуноглобулины — крупные глобулярные белки плазмы крови, выделяющиеся плазматическими клетками иммунной системы и служащие для нейтрализации клеток патогенов (бактерий, грибов, многоклеточных паразитов) и вирусов, а также белковых ядов и некоторых других чужеродных веществ. / Мицеллы (уменьшительное от лат. mica «частица, крупинка») — это агрегаты поверхностно-активных веществ (ПАВ) в коллоидном растворе (золe), состоящие из большого количества амфифильных молекул. Как пример можно привести мицеллы додецилсульфата в воде. Раствор ПАВ, в котором мицеллы находятся в равновесии с одиночными неассоциированными молекулами — мономерами — называется мицеллярным раствором. / Изоэлектрическая точка (pI) — кислотность среды (pH), при которой определённая молекула или поверхность не несёт электрического заряда. Амфотерные молекулы (цвиттер-ионы) содержат как положительные, так и отрицательные заряды, наличием которых определяется pH раствора. / Преципитат — образование твёрдой фазы (осадка) в растворе в результате химической реакции. / Каротино́иды — природные органические пигменты, синтезируемые бактериями, грибами, водорослями, высшими растениями и коралловыми полипами, окрашены в жёлтый, оранжевый или красный цвета. / Термин «полифенол» не имеет четкого определения, но считается, что это природные продукты, «имеющие полифенольную структуру (то есть несколько гидроксильных групп в ароматических кольцах)», включая четыре основных класса: К флавоноидам относятся флавоны, флавонолы, флаванолы, флаваноны, изофлавоны, проантоцианидины и антоцианы. Особенно много флаваноидов в продуктах питания: катехин (чай, фрукты), гесперетин (цитрусовые), цианидин (красные фрукты и ягоды), даидзеин (соя), проантоцианидины (яблоки, виноград, какао) и кверцетин (лук, чай, яблоки). Фенольные кислоты включают кофейную кислоту. Лигнаны — это полифенолы, полученные из фенилаланина, которые содержатся в семенах льна и других злаках.

Возврат к списку