НАУЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ
шшшши^Н
Кролевец А.А., Мячикова Н.И., Халикова А.С., Андреенков В.С. Молекулярная архитектура наноструктурированного сухого экстракта топинамбура // Научный результат. Технологии бизнеса и сервиса. - Т.2, №4, 2016.
УДК 641.05
Кролевец А. А.1 Мячикова Н. И.2 Халикова А. С.3 Андреенков В. С.4
DOI: 10.18413/2408-9346-2016-2-4-45-52
МОЛЕКУЛЯРНАЯ АРХИТЕКТУРА НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО СУХОГО ЭКСТРАКТА ТОПИНАМБУРА
1) профессор, доктор химических наук, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, ул. Победы, 85, г. Белгород, 308015, Россия. E-mail: [email protected] 2) заведующая кафедрой технологии продуктов питания, кандидат технических наук, доцент, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, ул. Победы, 85, г. Белгород, 308015, Россия. E-mail: [email protected]
3) студент, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
ул. Победы, 85, г. Белгород, 308015, Россия. E-mail: [email protected]
4) студент, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
ул. Победы, 85, г. Белгород, 308015, Россия. E-mail: [email protected]
Аннотация. В работе приведены свойства наноструктурированного сухого экстракта топинамбура, определены самоорганизация и размеры частиц с помощью метода NTA. В результате проведенного исследования было показано, что размер нанокапсул сухого экстракта топинамбура зависит от природы оболочки. Наименьший размер нанокапсул составляет 227 нм в геллановой камеди, что позволяет использовать наноструктурированный сухой экстракт топинамбура в качестве наноингредиента в продуктах функционального назначения.
Ключевые слова: сухой экстракт топинамбура; самоорганизация; метод NTA.
UDK 641.05
Krolevets A. A.1 MOLECULAR ARCHITECTURE NANOSTRUCTURED
Myachikova N. I.2 DRY EXTRACT TOPINAMBUR
Halikova A. S.3
Andreenkov V. S.4
1) Professor, Doctor of Chemical Sciences, Belgorod State National Research University, 85, St. Pobedy, Belgorod, 308015, Russia. E-mail: [email protected] 2) Head of Department of Food Technology, PhD in Technical Sciences, Associate Professor, Belgorod State National Research University, 85, St. Pobedy, Belgorod, 308015, Russia. E-mail: [email protected]
3) Student, Belgorod State National Research University, 85, St. Pobedy, Belgorod, 308015, Russia.
E-mail: [email protected]
4) Student, Belgorod State National Research University, 85, St. Pobedy, Belgorod, 308015, Russia.
E-mail: [email protected]
Abstract. The paper presents the properties of nanostructured dry extract topinambur, self-organization and defined particle sizes using NTA method. The study showed that the size of the nanocapsules dry extract of topinambur depends upon the nature of the shell. The smallest size of the nanocapsules is 227 nm in the gellan gum that allows the use of nanostructured dry extract of topinambur as nanoingredienta in products funkional destination. Keywords: dry extract of topinambur; self-organization; NTA method.
Введение. Топинамбур - источник пищевых волокон, особенно ценен инулин, который присутствует в виде некрахмального легкоусвояемого полисахарида. Это полезное вещество является натуральным подсластителем с нулевой калорийностью, оно не претерпевает
метаболизма в организме человека, что делает экстракт из клубня идеальным не только для диабетиков, но и в диетологии.
Сухой экстракт этого растения содержит в своем составе антиокислительные витамины. Эти витамины, вместе с флавоноидами помогают
Кролевец А.А., Мячикова Н.И., Халикова А.С., Андреенков В.С. Молекулярная архитектура наноструктурированного сухого экстракта топинамбура // Научный результат. Технологии бизнеса и сервиса. - Т.2, №4, 2016.
собирать в организме свободные радикалы, и тем самым обеспечивают защиту от рака, воспалений, вирусного кашля и простуды. Минералы, особенно наличие в составе калия, железа и меди, прекрасно стимулируют работу сердечно-сосудистой системы.
Усиливая сокращение стенок кишечника, инулин способствует освобождению организма от шлаков и непереваренной пищи. В кровеносных сосудах молекулы данного углевода производят аналогичную работу, очищая их от вредных продуктов обмена веществ и химических компонентов, попавших в кровь с медицинскими препаратами. Лечебные свойства топинамбура проявляются в устойчивой сопротивляемости организма различным инфекциям, кишечным бактериям и вирусным заболеваниям. Инулин оказывает еще массу положительных действий, среди которых улучшение кишечной микрофлоры, активизация деятельности желудочно-кишечного тракта, стимуляция работы желчного пузыря и защитных функций печени. Отмечен также высокий противоопухолевый эффект углевода.
Данная работа является продолжением наших исследований по изучению наноструктурированных биологическим
активных соединений [1-11].
Известно, что нанообъекты обладают высокой биодоступностью, что используется в медицине и фармакологии. В литературе отсутствуют сведения и свойствах наноструктурированного экстракта сухого топинамбура.
Размер капсул, содержащих биологически активные соединения, имеет существенное значение для их физиологической активности в организме [12]. На примере многих лекарственных веществ было показано, что уменьшение размеров частиц приводит к изменению биодоступности и эффективности [13].
Цель работы. Цель данной работы заключается в проведении первого в мире исследования наноструктурированного сухого экстракта топинамбура, изучая самоорганизацию и размеры нанокапсул с помощью метода КТЛ (Метод анализа траекторий наночастиц).
Материалы и методы исследования. Исследование самоорганизации нанокапсул проводили следующим образом. Порошок
наноструктурированного сухого экстракта топинамбура растворяли в воде, каплю наносили на покровное стекло и выпаривали. Высушенную поверхность сканировали методом конфокальной микроскопии на микроспектрометре
OmegaScope, производства АКТ-ЭТ (г. Зеленоград), совмещенном с конфокальным микроскопом.
Результаты исследования и их обсуждение. Нами впервые проведено исчерпывающее исследование по влиянию природы оболочки на размер нанокапсул на примере сухого экстракта топинамбура. В качестве оболочек использовались альгинат натрия, натрий кабоксиметилцеллюлоза, каррагинан, конжаковая камедь, ксантановая камедь, пектин яблочный и цитрусовый.
Размеры полученных нанокапсул
определяли методом КТЛ, а также проводились исследования супрамолекулярных свойств капсул с помощью самоорганизации. Супрамолекулярная химия использует законы органической синтетической химии для получения супрамолекулярных ансамблей, координационной химии комплексов и физической химии для изучения взаимодействий компонентов, биохимии - рассмотрения функционирования супрамолеклярных
ансамблей. К супрамолекулярным свойствам относятся самосборка и самоорганизация [14, 15]. В супрамолекулярной химии для достижения контролируемой сборки
молекулярных сегментов и спонтанной организации молекул в стабильной структуре используют нековалентные взаимодействия [16, 17]. Самоорганизующиеся структуры можно имитировать как аспекты биологических систем: искусственные клетки мембран, ферментов, или каналы [18].
Результаты исследований представлены на рис. 1.
Поскольку в водном растворе нанокапсул при их достаточно низкой концентрации обнаружены фрактальные композиции, они обладают самоорганизацией. Образование нанокапсул происходит спонтанно за счет нековалентных взаимодействий, и это говорит о том, что для них характерна самосборка. Следовательно, наноструктурированный сухой экстракт топинамбура обладает
супрамолекулярными свойствами.
'.¿у- >4'-. ,.' .v.v-
чтщтм
; --'if, V r-V-Í ív -
МШ^'-: ft-
_д_
Рис. 1. Конфокальное изображение наноструктурированного экстракта мяты: а) в альгинате натрия, увеличение в 920 раз, концентрация 0,5%, соотношение ядро : оболочка 1:3; б) в каррагинане, увеличение в 920раз, концентрация 0,25%, соотношение ядро : оболочка 1:3; в) в конжаковой камеди, увеличение в 1200раз, концентрация 0,125%, соотношение ядро : оболочка 1:3; г) в ксантановой камеди, увеличение в 720раз, концентрация 0,5%, соотношение ядро : оболочка 1:3; д) в яблочном пектине, увеличение в 720раз, концентрация 0,25%, соотношение ядро : оболочка 1:3. Fig. 1. Confocal images of nanostructured mint extract: a) sodium alginate, an increase of920 times, concentration of 0,5%, the ratio of core : shell 1:3; b) in karraginans, an increase of920 times, the concentration of 0,25%, the ratio core : shell 1:3; c) in konzhakovo resins, an increase of1200 times, the concentration of 0,125%, the ratio of core : shell 1:3; g) in xanthan gum, an increase of 720 times, the concentration of 0,5%, the ratio of core : shell 1:3; d) in apple pectin, an increase of720 time,
the concentration of 0,25%, the ratio core : shell 1:3.
На рис. 1 представлены самоподобные объекты, инвариантные относительно локальных дилатаций, т.е. фракталы. Известно, что фракталы являются естественным заполнением множеств между известными евклидовыми объектами с целочисленными размерностями. Наличие фрактала указывает на возможность получения совершенно другого полимера при практически неизменном составе макромолекулы. Этот «новый полимер» будет иметь другие
молекулярные характеристики и отличающуюся надсегментальную структуру. Фрактальная композиция так же указывает на процесс самосборки, что указывает на образование нанокапсул.
Определение размеров нанокапсул осуществляли в различных оболочка: агар-агар, альгинат натрия, геллановая камедь и конжаковая камедь. Их размеры представлены на рис. 2-5 и в табл. 1-4.
is
14 12 10
8 е
2
J
^ & ^ ^ -л?" ^ ^ ¿У ^ ^ л0" ^ ^ ср" ср-'ср-'
Размер частиц, нм
Рис. 2. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул топинамбура в агар-агаре, соотношение ядро : оболочка 1-3 Fig. 2. Distribution ofparticle size in the sample nanocapsule artichoke in agar- agar, the ratio of core : shell 1-3
Таблица 1
Характеристики нанокапсул топинамбура в агар-агаре
Table 1
Characteristics of nanocapsule artichoke in agar- agar
Параметр Значение
Средний размер, нм 243
D10, нм 153
D50, нм 236
D90, нм 340
Коэффициент полидисперсности, (D90 - D10)/D50 0,79
Общая концентрация частиц, х1012 частиц/мл 5,82
Примечание: D10, D50, D90 - десятый, пятидесятый и девяностый процент распределения (размеры, ниже которых лежат 10%, 50% и 90% частиц).
7
С
м
ц
А
Il—■ l.l Iri I- - I
<£И ^v- ^¿v ^ ^ ¿p-- ¿C-- ^ ^ оК с^''
Размер частиц, нм
Рис. 3. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул топинамбура в альгинате натрия, соотношение ядро : оболочка 1-3 Fig. 3. Distribution ofparticle size in the sample nanocapsule artichoke in sodium alginate, the ratio of core : shell 1-3
Таблица 2
Характеристики нанокапсул топинамбура в альгинате натрия
Table 2
Characteristics of nanocapsule artichoke in sodium alginat
Параметр Значение
Средний размер, нм 288
D10, нм 91
D50, нм 246
D90, нм 608
Коэффициент полидисперсности, ф90 - Б10)/050 2,10
Общая концентрация частиц, х1012 частиц/мл 2,47
Размер частиц, нм
Рис. 4. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул топинамбура в геллановой камеди, соотношение ядро : оболочка 1-3 Fig. 4. Distribution ofparticle size in the sample nanocapsule artichoke in galanova resins, the ratio of core : shell 1-3
НАУЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ
шшшши^Н
Кролевец А.А., Мячикова Н.И., Халикова А.С., Андреенков В.С. Молекулярная архитектура наноструктурированного сухого экстракта топинамбура // Научный результат. Технологии бизнеса и сервиса. - Т.2, №4, 2016.
Характеристики нанокапсул топинамбура в геллановой камеди Characteristics of nanocapsule artichoke in gellanova resins
Таблица 3 Table 3
Параметр Значение
Средний размер, нм 227
D10, нм 53
D50, нм 200
D90, нм 408
Коэффициент полидисперсности, ф90 - Б10)/050 1,78
Общая концентрация частиц, *Ш12 частиц/мл 4,78
^ ^ Т^Ч^' ^ & ^ ^ ^ Л^Ч^' о,0' #
V
Размер частиц, нм си
Рис. 5. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул топинамбура
в конжаковой камеди, соотношение ядро : оболочка 1-3 Fig. 5. Distribution of particle size in the sample nanocapsule Jerusalem artichoke in konzhakovo resins, the ratio of core : shell 1-3
Характеристики нанокапсул топинамбура в конжаковой камеди Characteristics of nanocapsule Jerusalem artichoke in konzhakovo resins
Таблица 4 Table 4
Параметр Значение
Средний размер, нм 231
D10, нм 85
D50, нм 235
D90, нм 357
Коэффициент полидисперсности, ф90 - Б10)/050 1,16
Общая концентрация частиц, х1012 частиц/мл 4,37
Как видно из табл. 1 -4, размеры нанокапсул в различных оболочках составляют от 227 нм (в геллановой камеди) до 288 нм (в альгинате натрия). При этом размеры нанокапсул в геллановой камеди практически совпадают с размерами в конжаковой камеди.
Полученные результаты показывают, что наноструктурированный топинамбур можно использовать в функциональных продуктах питания профилактического назначения для всех возрастных групп.
Кролевец А.А., Мячикова Н.И., Халикова А.С., Андреенков В.С. Молекулярная архитектура наноструктурированного сухого экстракта топинамбура // Научный результат. Технологии бизнеса и сервиса. - Т.2, №4, 2016.
Список литературы
1. Супрамолекулярные свойства микрокапсул квертецина [Текст] / А. А. Кролевец, Е. Е. Быковская, М. Л. Воронцова, Ю. А. Тырсин // Тез. докладов международной конф. «Нанотехнологии в пищевой промышленности». М. : МГУПП, 2012, С. 33-35.
2. Кролевец, А. А., Воронцова, М. Л., Тырсин, Ю. А. Исследование микрокапсул экстракта зеленого чая методом рамановской спектроскопии [Текст] / А. А. Кролевец, М. Л. Воронцова, Ю. А. Тырсин // Тез. докладов международной конф. «Нанотехнологии в пищевой промышленности». М. : МГУПП, 2012, С. 36-39.
3. Нанокапсулированные пробиотики, практические аспекты применения в животноводстве и ветеринарной медицины [Текст] / О. Б. Сеин, А. А. Кролевец, Д. В. Трубников, В. А. Челноков и др. // Вестник КГСХА. 2013. № 3. С. 57-59.
4. Исследование микрокапсул Биопага-Д физико-химическими методами [Текст] / М. М. Наумов,
A. А. Кролевец, З. Д. Ихласова, И. А. Брусенцев, И. А. Богачев // Вестник КГСХА. 2013. № 4. С. 66-67.
5. Влияние природы оболочки на размер нанокапсул на примере жирорастворимых витаминов [Текст] / А. А. Кролевец, И. А. Богачев, К. С. Никитин, Е. Е. Бойко // IV международной научно-практической конф. «Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия». 2014. № 3(6). С. 108-111.
6. Свойства наноструктурированного адаптогена - экстракта женьшеня [Текст] / А. А. Кролевец, И. А. Богачев, Е. А. Хаит, В. С. Андреенков // НАУ. 2015. № 2(7). С. 149-152.
7. Самоорганизация нанокапсул бетулина [Текст] / А. А. Кролевец, И. А. Богачев, О. В. Жданова,
B. С. Андреенков // НАУ. 2015. № 2(7). С. 152-156.
8. Кролевец, А. А., Богачев, И. А., Жданова, О. В. Исследование нанокапсул природных биологически активных соединений. Нанокапсулы унаби [Текст] / А. А. Кролевец, И. А. Богачев, О. В. Жданова // Евразийский союз ученых. 2015. № 1(18). Ч. 2. С. 54-59.
9. Кролевец, А. А., Богачев, И. А., Хаит, Е. А. Свойства наноструктурированного витамина Рю [Текст] / А. А. Кролевец, И. А. Богачев, Е. А. Хаит // Баисайо. 2015. № 1(8). Ч. 2. С. 52-55.
10. Влияние природы оболочки на размер наноструктурированного квертицина [Текст] / А. А. Кролевец, И. А. Богачев, Ю. А. Тырсин, О. В. Жданова, Ю. Н. Николаева, М. Л. Воронцова // VII межвед. научно-практич. конф. «Инновации в товароведении, общественном питании и длительном хранении продовольственных товаров». М. : МГУПП, 2015. С. 81-84.
11. Кролевец, А. А., Андреенков, В. С., Воронцова, М. Л. Свойства наноструктурированных адаптогенов растительного происхождения [Текст] / А. А. Кролевец, В. С. Андреенков, М. Л. Воронцова // Баисайо. 2015. № 7(14). Ч. 2. С. 138-141.
12. Patent 20110223314 United States, International Class B05D 7/00 20060101 B05D007/00 [Текст]. Efficient Microencapsulation. ZHANG; Xiaoxiao; (Honolulu, HI); Garmire; David; (Honolulu, HI); Ohta; Aaron; (Honolulu, HI). Serial № : 045244. Filed: March 10, 2011.
13. Vidhyalakshmi, R., Bhakyaraj, R., Subhasree, R. S. Encapsulation «The Future of Probiotics» - A Review [Текст] / R. Vidhyalakshmi, R. Bhakyaraj, R. S. Subhasree // Advances in Biological Research. Vol. 3-4. 2009. Pp. 96-103.
14. Методы молекулярного моделирования супрамолекулярных комплексов: иерархический подход [Текст] / Ф. В. Григорьев, А. Н. Романов, Д. Н. Лайков и др. // Российские нанотехнологии. 2010. №5-6. С. 47-53.
15. Зоркий, П. М., Лубнина, И. Е. Супрамолекулярная химия: возникновение, развитие, перспективы [Текст] / П. М. Зоркий, И. Е. Лубнина // Вестн. Моск. ун-та. 1999. №5. С. 300-307.
16. Rohit, K. Rana, Vinit, S. Murty, Jie Yu. Nanoparticle Self-Assebly of Hierarchicacally Ordered Microcapsule Structures [Text] / K. Rana Rohit, S. Murty Vinit, Jie Yu // Advanced Materials. Vol. 17. 2005. Рр. 1145-1150.
17. Ana Carina Mendes, Erkan Turker Baran, Claudia Nunes Palmitoylation of xanthan polysaccharide for self-assembly microcapsule formation and encapsulation of cells in physiological conditions [Text] / Ana Carina Mendes, Erkan Turker Baran, Claudia Nunes //Journal of The Royal Society of Chemistry. 2011.
18. Hans-Peter Hentze, Eric W. Kaler Polymerization of and within self-organized media [Text] / Hans-Peter Hentze, Eric W. Kaler // Curent Opinion in Colloid and Interface Science. Vol. 8. 2003. Pp. 164-178.
References
1. Supramolecular properties of microcapsules of quercetin [Text] / A. A. Krolevets, E. E. Byikovskaya, M. L. Vorontsova, Y. A. Tyirsin // Proc. reports of the international conf. «Nanotechnology in the food industry». М. : MGUPP, 2012, Pp. 33-35.
2. Krolevets, A. A., Vorontsova, M. L., Tyirsin, Y. A. Study of the microcapsules ofgreen tea extract by the method of Raman spectroscopy [Text] / A. A. Krolevets, M. L. Vorontsova, Y. A. Tyirsin // proc. reports of the international Conf. «Nanotechnology in the food industry». M. : MGUPP, 2012. Рр. 36-39.
3. Nanocapsulation probiotics practical aspects of application in animal husbandry and veterinary medicine [Text] / O. B. Sein, A. A. Krolevets, D. V. Trubnikov, V. A. Chelnokov and others // Bulletin of KGSKHA. 2013. № 3. Pp. 57-59.
4. A study of the microcapsules of Biopag-D physico-chemical metodami [Text] / M. M. Naumov, A. A. Krolevets, Z. D. Ihlasova, I. A. Brusentsev, I. A. Bogachev // Bulletin of KGSKHA. 2013. № 4. Pp. 66-67.
5. The influence of the nature of the shell on the size of nanocapsule for example, fat-soluble vitamins [Text] / A. A^Krolevets, I. A. Bogachev, K. S. Nikitin, E. E. Boyko // IV international scientific-practical conference. «Scientific prospects of the XXI century. Achievements and prospects for the new century». 2014. № 3(6). Pp. 108-111.
Кролевец А.А., Мячикова Н.И., Халикова А.С., Андреенков В.С. Молекулярная архитектура наноструктурированного сухого экстракта топинамбура // Научный результат. Технологии бизнеса и сервиса. - Т.2, №4, 2016.
6. Properties of nanostructured adaptogen - ginseng [Text] / A. A. Krolevets, I. A. Bogachev, K. S. Nikitin, E. E. Boyko // NAU. 2015. № 2(7). Pp. 149-152.
7. Self-organization of nanocapsule betulin [Text] / A. A. Krolevets, I. A. Bogachev, O. V. Zhdanova, S. V. Andreenkov // NAU. 2015. № 2(7). Pp. 152-156.
8. Krolevets, A. A., Bogachev, I. A., Zhdanova,
0. V. Study of nanocapsule of biologically active compounds. Nanocapsules jujube [Text] / A. A. Krolevets,
1. A. Bogachev, O. V. Zhdanova // Eurasian Union of scientists. 2015. № 1(18). Part 2. Pp. 54-59.
9. Krolevets, A. A., Bogachev I. A., Hait E. A. Properties of nanostructured vitamin Q10 [Text] / A. A. Krolevets, I. A. Bogachev, E. A. Hait // Educatio. 2015. № 1(8). Part 2. P. 52-55.
10. The influence of the nature of the shell on the size of the nanostructured querticin [Text] / A. A. Krolevets, I. A. Bogachev, Yu. A. Tyirsin, O. V. Zhdanova, Yu. N. Nikolaeva, M. L. Vorontsova // VII lived. scientific-practical. conf. «Innovations in merchandising, public nutrition and long-term storage of food products». M. : MGUPP, 2015. Pp. 81-84.
11. Krolevets, A. A., Andreenkov, V. S., Vorontsova, M. L. Properties of nanostructured adaptogens of plant origin [Text] / A. A. Krolevets, V. S. Andreenkov, M. L. Vorontsova // Educatio. 2015. № 7(14). Part 2. Pp. 138-141.
12. Patent 20110223314 United States, International Class B05D 7/00 20060101 B05D007/00 [Text]. Efficient Microencapsulation. ZHANG; Xiaoxiao; (Honolulu, HI); Garmire, David; (Honolulu, HI); here; Aaron; (Honolulu, HI). Serial № : 045244. Filed: March 10, 2011.
13. Vidhyalakshmi, 3. R., Bhakyaraj, R., Subhasree, R. S. Encapsulation «The Future of Probiotics» - A Review [Text] / 3. R. Vidhyalakshmi, R. Bhakyaraj, R. S. Subhasree // Advances in Biological Research. Vol. 3-4. 2009. Pp. 96-103.
14. Methods molecular modeling of supramolecular complexes: a hierarchical approach [Text] / F. V. Grigorev, A. N. Romanov, D. N. Laykov etc. / Nanotechnologies in Russia. 2010. №. 5-6. Pp. 47-53.
15. Zorkiy, P. M., Lubnina, I. E. Supramolecular chemistry: origin, development, prospects [Text] / P. M. Zorkiy, I. E. Lubnina // Vestn. Mosk. Univ. 1999. № 5. Pp. 300-307.
16. Rohit, K. Rana, Vinit, S. Murty, Jie Yu. Nanoparticle Self-Assebly of Hierarchicacally Ordered Microcapsule Structures [Text] / K. Rana Rohit, S. Murty Vinit, Jie Yu // Advanced Materials. Vol. 17. 2005. P. 1145-1150.
17. Ana Carina Mendes, Erkan Türker Baran, Claudia Nunes Palmitoylation of xanthan polysaccharide for self-assembly microcapsule formation and encapsulation of cells in physiological conditions [Text] / Ana Carina Mendes, Erkan Türker Baran, Claudia Nunes //Journal of The Royal Society of Chemistry. 2011.
18. Hans-Peter Hentze, Eric W. Kaler Polymerization of and within self-organized media [Text] /Hans-Peter Hentze, Eric W. Kaler // Curent Opinion in Colloid and Interface Science. Vol. 8. 2003. P. 164-178.