CC BY
52
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ И ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ / PHYSIKO-CHEMIKAL AND GENERAL BIOLOGY
Оригинальная статья / Original article
УДК 544.773.432: 547.485.5
DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-1 -147-153
ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ПОЛИСЛОЙНЫХ КАПСУЛ НА ОСНОВЕ ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН В УСЛОВИЯХ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА
© Л.С. Разумова*, А.В. Евтеев*, А.В. Банникова*, И.А. Евдокимов**
Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, Российская Федерация, 410005, г. Саратов, ул. Соколовая, 335. Северо-Кавказский федеральный университет, Российская Федерация, 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1.
Цель работы - изучение поведения одно- и полислойных капсул на основе альгината натрия и кар-боксиметилцеллюлозы в условиях ферментативного гидролиза in vitro. Получены полислойные капсулы на основе пищевых волокон с инкапсулированным модельным биологически активным белком. Исследовано их поведение в условиях ферментативного гидролиза in vitro с использованием физических методов анализа. Показано, что капсулы следуют тенденции сокращения в модельном «желудке». Однако после помещения в кишечный раствор все капсулы начали набухать в различной степени за счет увеличения электростатических сил отталкивания. В ходе эксперимента было установлено, что твердость капсул в условиях модельного «желудка» была выше по сравнению с их механическими свойствами в условиях модельного «кишечника» с последующим разрушением капсул в конце кишечной фазы. Отмечено, что полислойные капсулы имели наибольшую способность защищать инкапсулированный модельный биологически активный белок в кислых условиях желудочной среды. Результаты проведенного анализа свидетельствуют, что изменения механических свойств и набухание капсул на основе пищевых волокон обеспечивают связь в управлении высвобождением биоактивных компонентов, заключенных в капсулу.
Ключевые слова: капсулы, альгинат, карбоксиметилцеллюлоза, механические свойства, набухание, ферментативный гидролиз in vitro.
Формат цитирования: Разумова Л.С., Евтеев А.В., Банникова А.В., Евдокимов И.А. Изучение поведения полислойных капсул на основе пищевых волокон в условиях ферментативного гидролиза // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7, N 1. С. 147-153. DOI: 10.21285/22272925-2017-7-1-147-153.
STUDY OF POLYLAYER DIETARY FIBER BASED CAPSULES BEHAVIOR UNDER ENZYMATIC HYDROLYSIS IN VITRO
© L.S. Rasumova*, A.V. Evteev*, A.V. Bannikova*, I.A. Evdokimov**
Saratov State Vavilov Agrarian University,
335, Sokolovaya St., Saratov, 410005, Russian Federation.
**North-Caucasus Federal University,
1, Pushkin St., Stavropol, 355009, Russian Federation.
The aim of this work was to study the behavior of single and multilayer capsules from sodium alginate and CMC during enzymatic hydrolysis in-vitro. Multilayer capsules based on the dietary fiber with encapsulated model biologically active protein were developed. Their behavior was studied under conditions of enzymatic hydrolysis in vitro using physical methods of analysis. It is shown that the capsules size was followed the reduction trends in the model "stomach." However, after being placed in an intestinal solution all capsules began to swell to varying degrees due to an increase in electrostatic repulsion forces. During the experiment, it was found that the hardness of the capsules in a model "stomach" was higher as compared to their mechanical properties in a model "intestine", followed by the destruction of capsules at the end of intestinal phase. It is noted that the multilayer capsule had the greatest ability to protect the encapsulated model biologically active protein in acidic gastric environment. The results of this analysis indicate that the changes in
the mechanical properties and the swelling behavior of capsules based on dietary fiber provide a relationship to the control release of encapsulated bioactive components.
Keywords: capsules, alginate, сarboxymethyl cellulose, mechanical properties, swelling, enzymatic hydrolysis in vitro
For citation: Rasumova L.S., Evteev A.V., Bannikova A.V., Evdokimov I.A. Study of polylayer dietary fiber based capsules behavior under enzymatic hydrolysis in vitro. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Bio-tekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2017, vol. 7, no 1, pp. 147-153 DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-1-147-153 (in Russian)
ВВЕДЕНИЕ
Человеку, как и любому живому организму, для полноценного функционирования и поддержания процессов жизнедеятельности необходимо полноценное питание. В состав пищевых продуктов входят пищевые вещества или нутриенты, которые являются органическими и неорганическими элементами. Организм использует их для обновления и построения клеток и тканей, получения энергии, координации биохимических и физиологических функций. В этой связи вопрос о создании обогащенных продуктов в настоящее время особо актуален, в том числе и с точки зрения медицины. Однако в целях использования эссенци-альных компонентов для обогащения необходимо защитить их от агрессивных условий окружающей среды [1, 2].
Микрокапсулы используют в пищевой промышленности уже более 75 лет в целях сохранения биологически-активных компонентов, чувствительных к условиям среды (витамины, антиоксиданты, ферменты, пептиды, биоактивные белки и т.д.) [3, 4]. Данные из литературы свидетельствуют, что в целях создания капсул были использованы различные материалы, включающие клетчатку, сахара, крахмал, белки и липиды [5].
Натрия альгинат - полисахарид природного происхождения, широко используемый в пищевой и фармацевтической промышленности. В технологических процессах он используется как загуститель, вещество для капсули-рования, стабилизатор, влагоудерживающий агент, гелеобразователь. В медицине альгинат натрия используется как энтеросорбент, он способен хорошо связывать и выводить из организма радионуклиды и тяжелые металлы, а также может способствовать заживлению ран, снижает уровень холестерина в крови. Свойство натрия альгината как стабилизатора широко используют в производстве эмульсий, кремов и лосьонов в косметологии. Также известно, что альгинатные капсулы возможно использовать для инкапсулирования витаминов, эфирных масел, лактоферрина и других биологически активных веществ, необходимых человеку [3, 6]. Известно, что пищевые волокна перевариваются ферментами кишечных
бактерий. В этом отношении пищевые волокна имеют вполне определенную пищевую и энергетическую ценность, поскольку в процессе их бактериального гидролиза образуются летучие жирные кислоты, витамины и другие пищевые субстраты, которые затем могут всасываться в кровь. Так, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) обладает высокой сорбционной способностью, удерживает воду и способствуют лучшему опорожнению кишечника.
Инкапсуляция предполагает защиту включенного элемента и его контролируемое высвобождение. Выявлено, что альгинат используется в качестве защитного ингредиента для ряда инкапсулированных биологически активных соединений в условиях желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) человека [1-3, 5, 6]. Во время исследований In vitro, проведенных на альгинатных капсулах, было установлено, что частицы геля были устойчивы к условиям желудочной среды, тогда как в модельной кишечной среде произошел их распад, что дает основание использовать данные капсулы в качестве средства контролируемой доставки [7].
Цель данного исследования - изучение поведения одно- и полислойных капсул на основе альгината натрия и КМЦ в условиях ферментативного гидролиза in vitro. Данная работа позволяет получить информацию о защитных свойствах капсул на основе пищевых волокон, а также параметрах их набухания и изменении механических свойств в процессе моделируемого ЖКТ человека. Кроме этого, полученные данные позволят сравнить свойства одно- и полислойных капсул в качестве стеночного материала для инкапсуляции биологически активного компонента.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Подготовка альгинатных капсул: Все капсулы получали при комнатной температуре. Тестировались три различных способа получения капсул, различающиеся по составу (рис. 1). Во всех случаях в качестве инкапсулированного соединения использовался сывороточный альбумин (BSA) [4].
Ферментативный гидролиз in vitro. На стадии модельного «желудка» к 25 г капсул добавляли 500 мл подогретого (37 °С) имити-
рованного желудочного сока (2%-й раствор NaCl в деонизированной воде, рН 2 (1 М HCl) и 3600 U/мл пепсина. Образцы инкубировали на водяной бане (37 °C) при постоянном встряхивании в течение заданного промежутка времени. По истечении 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105 и 120 мин образцы отбирались и промывались деионизированной водой.
На стадии модельного «кишечника» к 20 ± 2 г капсул, предварительно прошедших стадию модельного «желудка» в течение 2 ч, добавляли 400 мл предварительно нагретой (37 °C) имитированной кишечной жидкости (0,68% одноосновного фосфата калия; 0,1% солей желчных кислот; 0,4% панкреатина). Значение рН доводили до 7,5 с помощью 0,5 М NaOH (~ 40 мл). Образцы инкубировали при 37 °С при постоянном встряхивании в течение заданного интер-вала времени (до 20 мин).
Показатель набухания капсул определяли, используя следующее уравнение:
масса капсулы, г; m, - начальная масса капсулы, г [6].
Текстурный анализ. Сжатие капсул, прошедших условия ферментативного гидролиза in vitro, было проведено с помощью анализатора текстуры Brookfield CT3-4500. Измерительная проба состояла из цилиндрического алюминиевого зонда (диаметр 6 мм), которым было проведено сжатие образца на 30% от первоначальной высоты капсулы при 1,5 мм/с с нагрузкой 0,067 М. В целях получения статистически репрезентативных результатов было сжато тридцать капсул каждого образца. Все эксперименты проводили при комнатной температуре (22 ± 1 °С).
Модуль Юнга рассчитывали, используя следующее уравнение [7]:
Е =
3x(1-v2)xF Vdxtf3 '
(2)
S = 100—¿-—i, (1)
m;
где S - степень набухания, %; mf - конечная
где d - диаметр капсулы, мм; Р - сила, приложенная к капсуле, Н; Н - смещение, м; V - коэффициент Пуассона.
Способ 1
Рис. 1. Способы приготовления капсул ¡ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ И ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ —
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Коэффициент набухания альгинатных капсул, полученных в соответствии со способами 2 и 3 в условиях ферментативного гидролиза in vitro изображен на рис. 2. Оба типа капсул следуют тенденции сокращения в модельном «желудке» вследствие протонирования свободных карбоксилатных групп в альгинате и образованию водородных связей [9]. Показано, что увеличение количества альгината натрия и BSA на стадии подготовки не приводит к существенному (р > 0,05) изменению степени набухания. После помещения в кишечный раствор все капсулы начали набухать в различной степени за счет увеличения электростатических сил отталкивания при рН выше pKa групп уро-новой кислоты в альгинате.
Механические свойства капсул были охарактеризованы с помощью модуля Юнга (рис. 3). Показано, что прочность капсул значительно различается в зависимости от их вида. Для капсул, полученных в соответствии со способом 3, величина модуля Юнга приблизительно в два и три раза выше, чем капсул, полученных в соответствии со способом 1 и 2 соответственно. Показано, что добавление КМЦ влияет на прочность капсул, где композиция, содержащая 2% альгината натрия и 2% BSA на стадии подготовки (способ 1) демонстрируют более низкие значения модуля Юнга
по сравнению с теми, что содержат дополнительно 1% КМЦ (способ 3). Кроме того, повышение количества альгината натрия до 2% (w/w) и BSA до 2% (w/w) увеличивают прочность капсул (способы 2 и 3). Все виды капсул демонстрируют снижение прочности во время кишечной фазы, которая коррелирует с образованием более открытой пористой сетки геля. Во время кишечной фазы модуль Юнга всех капсул (полученных в соответствии с различными способами) статистически не различался в связи с набуханием и дроблением полимерной сетки. Таким образом, используя графические (данные не представлены) и физические методы анализа, было отмечено, что структура капсул в конце фазы модельного «желудка» была гораздо более плотная, чем структура геля, наблюдаемая в конце кишечной фазы. Возрастающая пористость геля увеличивает шарики, что, в конечном счете, приводит к разрушению и позволяет рассматривать разработанные полислойные капсулы в качестве варианта средств контролируемой доставки. Работа на следующем этапе будет включать изучение изменений количества инкапсулированного соединения в процессе ферментативного гидролиза in vitro с учетом разрушения капсул и высвобождения биоактивного инкапсулированного белка.
Рис. 2. Степень набухания капсул в моделируемых условиях желудочно-кишечного тракта 150 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ И ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ ^^^^^^^^^^
Рис. 3. Модуль Юнга капсул в моделируемых условиях желудочно-кишечного тракта
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе исследовали применение комбинации коллоидных систем КМЦ и альги-ната натрия в роли транспортных гелей. При исследовании влияния условий модельного ЖКТ наблюдали заметное уплотнение геля капсул из композиционных материалов при низких рН, что предполагает усиление межмолекулярных взаимодействий между двумя полимерами. Показано сжатие капсул в условиях модельного «желудка», в то время как в кишечной фазе коэффициент набухания капсул
был увеличен. Иссле-дования механических свойств показали, что полислойные капсулы наиболее защищены от изменений рН и ионной силы по сравнению с однослойными. Экспериментальные данные свидетельствуют, что полученные капсулы в конечном итоге распадаются в течение 160 мин модельного пищеварения таким образом, подтверждая возможность управляемой доставки биоактивных компонентов в пищевой и фармацевтической промышленности.
Работа выполнена в рамках Гранта Президента РФ для поддержки молодых ученых кандидатов наук МК-3069.2017.11.
The work was performed under grant of the President of the Russian Federation for support of young scientists, candidates of science MK-3069.2017.11.
1. Горбунова Н.В., Банникова А.В. Совершенствование получения биополи-мерных матриц адресной доставки инкапсулированных форм биологически активных веществ // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6, N 2 (17). С. 65-70.
2. Bokkhim H., Bansal N., Grondahl L., Bhandari B. In-vitro digestion of different forms of bovine lactoferrin encapsulated in alginate microgel particles // Food Hydrocolloids. 2016. N 52. P. 231-242. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2015.07.007
3. Банникова А.В. Разработка технологии инкапсулированных форм белков и антиокси-
КИЙ СПИСОК
дантов // Современная наука и инновации. 2016. N 1 (16). С. 56-60.
4. Разумова Л.С., Евтеев А.В., Ларионова О.С., Евдокимов И.А., Банникова А.В. Оценка возможности применения полислойных капсул на основе пищевых волокон в качестве средств адресной доставки биоактивных белков // Аграрный научный журнал. 2016. N 8. С. 75-78.
5. Coppi G., lannuccelli V., Leo E., Bernabei M.T., Cameroni R. Chitosan-alginate microparti-cles as a protein carrier // Drug Development and Industrial Pharmacy. 2001. Т. 5, N 27. P. 393-
400. DOI: 10.1081/DDC-100104314
6. Lonnerdal B. Kelleher S.L. Micronutrient transfer: infant absorption. In: Breastfeeding: Early influences on later health. Under the editorship of G. Goldberg, A. Prentice, A. Prentice, S. Filteau, K. Simondon, Netherlands, Springer Publ. 2009. V. 639. P. 29-40.
7. Rayment P., Wright P., Hoad C., Ciampi E. Haydock D., Gowland P., Butler M.F. Investigation of alginate beads for gastro-intestinal functionality.
Part 1: In vitro characterization // Food Hydrocol-loids. 2009. N 23. P. 816-822.
8. Chan E.S. Preparation of Ca-alginate beads containing high oil content: Influence of process variables on encapsulation efficiency and bead properties // Carbohydrate Polymers. 2011. 84. N 4. P. 1267-1275.
9. Norton I.T., Frith W.J., Ablett S. Fluid gels, mixed fluid gels and satiety // Food Hydrocolloids. 2006.N 20. 229-239.
1. Gorbunova N.V., Bannikova A.V. Improving obtain biopolymer matrix targeted delivery of encapsulated forms of biologically active Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Higher School. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2016, vol. 6, no. 2, pp. 65-70. (in Russian)
2. Bokkhim H., Bansal N., Grondahl L., Bhandari B. In-vitro digestion of different forms of bovine lactoferrin encapsulated in alginate microgel particles. Food Hydrocolloids. 2016, no. 52, pp. 231-242. Cited 89 times. D0I:10.1016/j.foodhyd.2015.07.007
3. Bannikova A.V. Development of technology of encapsulated forms of proteins and antioxi-dants. Modern science and innovation. 2016, no. 1, pp. 56-60. (in Russian)
4. Razumova L.S., Evteev A.V., Larionova O.S., Evdokimov I.A., Bannikova A.V. Evaluation of the possibility of using multilayer capsules on the basis of dietary fiber as a means of targeted delivery of bioactive proteins. Agrarnyi nauchnyi zhurnal [Agricultural Research Magazine]. 2016, no. 8, pp. 75-78. (in Russian)
5. Coppi G., lannuccelli V., Leo E., Bernabei
Критерии авторства
Разумова Л.С., Евтеев А.В., Банникова А.В., Евдокимов И.А. выполнили экспериментальную работу, на основании полученных результатов провели обобщение и написали рукопись. Разумова Л.С., Евтеев А.В., Банникова А.В., Евдокимов И.А. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации
Анна В. Банникова,
Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова
M.T., Cameroni R. Chitosan-alginate microparti-cles as a protein carrier. Drug Development and Industrial Pharmacy. 2001, vol. 5, no 27, pp. 393400. Cited 79 times. DOI: 10.1081/DDC-100104314
6. Lonnerdal B. Kelleher S.L. Micronutrient transfer: infant absorption. In: Breastfeeding: Early influences on later health. Under the editorship of G. Goldberg, A. Prentice, A. Prentice, S. Filteau, K. Simondon, Netherlands, Springer Publ., 2009, vol. 639, pp. 29-40.
7. Rayment P., Wright P., Hoad C., Ciampi E., Haydock D., Gowland P., Butler M.F. Investigation of alginate beads for gastro-intestinal functionality. Part 1: In vitro characterization. Food Hydrocolloids. 2009, no. 23, pp. 816-822.
8. Chan E.S. Preparation of Ca-alginate beads containing high oil content: Influence of process variables on encapsulation efficiency and bead properties. Carbohydrate Polymers. 2011, vol. 84, no. 4, pp. 1267-1275.
9. Norton I.T., Frith W.J., Ablett, S. Fluid gels, mixed fluid gels and satiety. Food Hydrocolloids. 2006, no. 20, pp. 229-239.
Contribution
Rasumova L.S., Evteev A.V., Bannikova A.V., Evdokimov I.A. carried out the experimental work, on the basis of the results summarized the material and wrote the manuscript. Rasumova L.S., Evteev A.V., Bannikova A.V., Evdokimov I.A. equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interest
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
AUTHORS' INDEX Affiliations
Anna V. Bannikova
Saratov State Vavilov Agrarian University 335, Sokolovaya St., Saratov, 410005,
Российская Федерация, 410005, г. Саратов, ул. Соколовая, 335
К.т.н, доцент, зав. УНИЛ по определению качества пищевой и сельскохозяйственной продукции
Людмила С. Разумова
Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова Российская Федерация, 410005, г. Саратов, ул. Соколовая, 335 Аспирант
[email protected] Александр В. Евтеев
Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова Российская Федерация, 410005, г. Саратов, ул. Соколовая, 335
Специалист УНИЛ по определению качества пищевой и сельскохозяйственной продукции [email protected]
Иван А. Евдокимов
Северо-Кавказский федеральный университет
Российская Федерация, 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1 Д.т.н., профессор [email protected]
Поступила 03.08.2016
Russian Federation
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Head of the Laboratory of Quality Determination of Foods and Agricultural Products [email protected]
Ludmila S. Rasumova
Saratov State Vavilov Agrarian University 335, Sokolovaya St., Saratov, 410005, Russian Federation Postgraduate Student [email protected]
Alexandr V. Evteev
Saratov State Vavilov Agrarian University
335, Sokolovaya St., Saratov, 410005, Russian
Federation
Ph.D., Associate Professor, Specialist of the Laboratory of Quality Determination of Foods and Agricultural Products [email protected]
Ivan A. Evdokimov
North-Caucasus Federal University 1, Pushkin St., Stavropol, 355009, Russian Federation
Doctor of Engineering, Professor [email protected]
Received 03.08.2016
