Микрокапсулы на основе низкометилированных пектинов и концентрата белков молочной сыворотки

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2014, том 57, №1_

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 541.127 : 581.19:547

О.Шамсара, З.К.Мухидинов, Д.Т.Бобокалонов*, С.Р.Усманова, Л.Ш.Лиу**, академик АН Республики Таджикистан Д.Х.Халиков

МИКРОКАПСУЛЫ НА ОСНОВЕ НИЗКОМЕТИЛИРОВАННЫХ ПЕКТИНОВ И КОНЦЕНТРАТА БЕЛКОВ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ

Институт химии им.В.И.Никитина АН Республики Таджикистан, Таджикский государственный медицинский университет им. Абуали ибни Сино, Восточный региональный научно-исследовательский центр Госдепартамента США по сельскому хозяйству

Представлены результаты исследования процесса получения микрокапсул на основе низко-метилированных пектинов из яблок, цитрусовых и подсолнечника с концентратом белков молочной сыворотки в системе масло/вода. Показано, что на процесс образования устойчивых эмульсий и степень насыщения их лекарственным веществом (ЛВ) влияют природа биополимеров, их соотношение, локальный заряд пектиновой цепи и её молекулярная масса. Микрокапсулы, полученные на основе НМ-пектина яблок, преимущественно отличались от других пектинов большим размером, количеством частиц в единице объёма и эффективностью захвата ЛВ.

Ключевые слова: биополимеры - микрокапсулы - НМ-пектин - лактоглобулины молочной сыворотки - эмульсия - пироксикам.

Композиционные материалы, полученные из пищевых биополимеров (белки и полисахариды) имеют широкую область использования в пищевых, фармацевтических и профилактических продуктах. Пектины, биополимеры из возобновляемых источников растительного сырья, являются основой для создания носителей лекарственных веществ [1]. Известно, что высокометилированные (ВМ) пектины из яблок, цитруса [1,2] и сахарной свёклы [3] способны стабилизировать эмульсию «масло/вода» (м/в).

Эмульгирующие свойства низкометилированных (НМ) пектинов мало изучены, хотя имеются данные об их способности формировать прочный комплекс с белками на поверхности раздела масло/вода [4-6], стабилизируя эмульсию. Следовательно, использование различных типов пектинов и белков для формирования комплекса на поверхности раздела фаз и стабильных частиц в дисперсионной среде открывает широкие возможности для разработки новых безопасных носителей нутриентов и ЛВ, необходимых для пищевой и фармацевтической промышленности.

Сравнительный анализ процесса формирования эмульсионных микрокапсул на основе ВМ-яблочного и цитрусового пектинов с концентратом лактоглобулинов молочной сыворотки [2] показал, что в зависимости от соотношения биополимеров они отличались объёмом, количеством микрочастиц и эффективностью захвата ЛВ в эмульсии, рН и ионной силы среды.

Адрес для корреспонденции: Мухидинов Зайниддин Камарович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: zainy@mail.ru

Целью настоящей работы явилось получение стабильной эмульсии в дисперсионной среде м/в на основе НМ-пектинов яблок, цитрусов и подсолнечника с концентратом белков молочной сыворотки и исследование механизма формирования микрокапсул на их основе.

Экспериментальная часть

Объектом исследования являлись: НМ-пектины, полученные из яблочных выжимок на пилотной установке (ПАПО Шахринав, Республики Таджикистан), с содержанием галактуроновой кислоты (ГК, %) 58.6, степенью этерификации (СЭ, %) 38.0 и молекулярной массой (Mw) 119 КД (далее обозначенные как НМЯ); корзинок подсолнечника, полученных методом быстрого гидролиза [7], с содержанием ГК 82.0%, СЭ 35.5%, и Mw 72.6 КД (НМП); коммерческий цитрусовый пектин (LM-12CG, CP Kelco, Wilmington USA), с содержанием ГК 69.0%, СЭ 31.0%, Mw 212 КД (НМЦ). Концентрат лактоглобулина (LgC), выделенного из молочной сыворотки [8], содержал: 37.35% ß-LgA, 52,9% ß-LgB и 9.7% a-LgA (обозначенный как LgC). В качестве ЛВ был использован нестероидный противовоспалительный препарат - пироксикам (PX).

Микрокапсулы получали методом двухстадийного формирования в эмульсии масло в воде в присутствии противоионов натрия, как описано в работах [2,3,6]. Эмульсии хранили при комнатной температуре в течение 24 ч, затем проводили оценку устойчивости по объёму, количеству микрокапсул в 1мл, размеру и распределению частиц микроскопическим методом. Количество частиц и их размеры определяли на микроскопе Motic type 102 M (Motic Instrument INC, Canada) с использованием компьютерной программы Motic Image Advanced 3.2. Размер частиц представлял собой объёмно-весовой средний диаметр d43. Все измерения были выполнены на двух свежеприготовленных образцах, результаты представлены как средневычесленные.

Все эксперименты проводили дважды, в некоторых случаях трижды, с использованием свежеприготовленных эмульсий, результаты представлены как средне-стандартно вычисленные.

Объём эмульсии LgC/НМП с увеличением доли протеина постепенно увеличивался и принимал максимальное значение (24.2 мл) при достижении мольного соотношения биополимеров 13 [6]. В данных условиях объёмы эмульсии увеличились более чем в 7 раз, по сравнению с эмульсиями, приготовленными в водной среде. В отличие от эмульсионных микрокапсул, полученных на основе ВМ-пектинов, устойчивость и захват ЛВ зависели от соотношения биополимеров. Количество адсорбированного ЛВ постепенно увеличивалось с возрастанием доли одного из биополимеров в эмульсионной среде. Увеличение количества пектина и протеина в системе привело к кремообразованию эмульсии, в большей степени с увеличением мольной доли пектина и в меньшей с увеличением протеина.

Если микрокапсулы с высокой стабильностью формировались при мольном соотношении LgC/НМП 13, то степень захвата ЛВ была больше у микрокапсул при мольном соотношении LgC/НМП 40. Высокая степень захвата ЛВ была также у микрокапсул с преобладающей долей пектина, которые формировали плотный слой крема [6].

Такой эффект наблюдался на примере микрокапсул, полученных на основе LgC/НМЦ при одинаковых соотношениях биополимеров (табл.1).

Таблица 1

Характеристика микрокапсул в системе LgC/НМЦ, полученных в среде 0.1 М NaCl, pH=4-5

Весовое соотношение биополимеров, г/г Молярное соотношение биополимеров, моль/моль Объёмы эмульсии на второй день, мл Содержание пироксикама в микрокапсулах, %

3:1 12 25.4 47.19

5:1 20 21.6 62.74

10:1 40 19.0 64.13

Эмульсионные микрокапсулы НМЦ имели несколько высокий захват ЛВ по сравнению с НМП. Если с ростом доли протеинов в системе НМП от 13 до 40 моль увеличивалась адсорбция ЛВ от 32 до 50%, то в системе НМЦ степень адсорбции ЛВ достигала 47.2 - 64.13%. Увеличение доли пектина в данной системе привело к резкому спаду объёма вторичной эмульсии. (Результаты этих исследований в данной работе не обсуждаются).

Таблица 2

Характеристика микрокапсул в системе LgС/НМЯ, полученных в среде 0.1 М КаС1, рН=4-5

Весовое соотношение биополимеров, г/г Молярное соотношение биополимеров, моль/моль Объёмы эмульсии на второй день, мл Содержание пироксикама в микрокапсулах, %

1:2 5 22.4 58.5

2:1 18 21.0 69.0

5:1 44 17.6 64.0

10:1 88 16.6 52.7

В табл. 2. представлена характеристика эмульсионных микрокапсул, полученных на основе комплексообразования НМ-яблочного пектина с LgC. Как видно, в отличие от микрокапсул НМП и НМЦ, стабильные микрокапсулы с высоким захватом ЛВ формировались в системе НМЯ в широком диапазоне соотношений биополимеров LgC/НМЯ (от 5 до 88), при этом степень адсорбции ЛВ оставалась высокой, с максимальным значением 69.0 при мольном соотношении LgC/НМП 18.

Для характеристики устойчивости, микрокапсулы суспендировали в воде на гомогенизаторе при 9000 об/мин. Количество микрочастиц и их размеры определяли на микроскопе Motic type 102 M с помощью программы Motic Image Advanced 3.2, как описано ранее [2,3].

На рис.1 представлена зависимость количества частиц в 1 мл и средний размер частиц (D43) для эмульсионных микрокапсул LgC/НМП.

Рис.1. Число частиц (К) в 1мл (колонки) и средний размер частиц (Б4з) в зависимости от соотношения LgС/НМП.

Как видно из рис.1, наибольшее количество частиц (363 000 ед.) в 1 мл, имеющих небольшие размеры, формируется в системе LgС/НМП с соотношением 12; с возрастанием соотношения биополимеров количество частиц постепенно уменьшается.

В работе [3] показано, что эмульсионные микрокапсулы, полученные в системе LgС/НМ-цитрусовый пектин при высоком содержании пектина, не стабильны, масляные капли, окруженные Lg, агрегируют при добавлении низкометилированного пектина с высоким зарядом цепи. С возрастанием фракции белка наблюдается увеличение частиц с меньшим диаметром. Максимальное количество частиц (497 830) в единице объёма с минимальными размерами (5.3 мкм), наблюдается при соотношении LgC/НМЦ 20. Увеличение фракции белка выше этой точки, вероятно, приводит к компенсации заряда пектиновой цепи и уменьшению общего заряда на вторичном слое, вследствие чего нарушается стабильность эмульсии.

На рис.2. показана зависимость количества частиц в 1мл и их средний размер ф43, мкм) от соотношения LgС/НМЯ. Как видно, лучшие показатели среди изученных пектинов были с НМЯ-пектином.

Ранее [2] нами было показано, что наибольшее количество микрочастиц было также обнаружено для ВМ-пектинов из яблок: максимальное число частиц (1379167) с наименьшим диаметром (6.5 мкм) формировалось при молярном соотношении LgС/ВМЯ 22, только в узком интервале соотношений биополимеров.

В системе с ВМ-пектинами [2] эмульсии, вследствие добавления соли натрия, устойчивы за счё усиления эффективности длины пектиновой цепи, соответствующей поверхности микрокапсул, путём уменьшения полиэлектролитного набухания полимерных цепей и образования плотного центра покрытой поверхности. Однако в системе с НМ-пектинами, где плотность локального заряда высокая, требуется несколько большее количество противоионов для частичного экранирования заряда, предотвращающего образование коацерватов между лактоглобулином на поверхности масляных частиц и свободным пектином. В данном случае полное экранирование избытка отрицательных зарядов на поверхности вторичной эмульсии маловероятно.

Согласно авторам [9], физико-химические параметры пектина, в частности степень метилэте-рификации (СЭ) и степень блочности (СБ), определяют способность образования комплекса между пектином и белком. ВМ-пектины с одинаковой СЭ, но с блочным (ВМБ) и случайным (ВМС) распределением метильных групп отличались значением локальной плотности заряда, что в результате по-

щсммя

Рис.2. Число частиц (К) в 1 мл (колонки) и их средний размер ф43) в зависимости от соотношения LgС/НМЯ.

влияло на способность образования комплекса между В-Lg и пектином при одинаковой ионной силе. Высокая плотность заряда ВМБ-пектинов позволяет формировать комплексы при высокой ионной силе, по сравнению с ВМС пектинами, имеющими низкую локальную плотность заряда.

В этом аспекте НМ-пектины проявляют такую же способность, как ВМБ-пектины - имеют высокую локальную плотность заряда и образуют комплексы с В-Lg, даже при высокой ионной силе растворов.

Кроме того, при добавлении достаточного количества пектина к вторичной эмульсии предполагалось, что заряд образующихся частиц постепенно перейдет от положительного к отрицательному и могут быть получены кинетически устойчивые эмульсии, содержащие отрицательно заряженные (анионные) капли, как это показано для других типов эмульсионных систем [10,11]. Однако в нашем случае с увеличением количества пектина, вероятно, происходит агрегация молекул НМП на поверхности слоя частиц, что привело к уменьшению количества частиц и росту их размера.

При добавлении НМ-пектина с высокой плотностью заряда в системе происходит флокуля-ция микрочастиц стабилизированных В-Lg, вследствие электростатического взаимодействия противоположно заряженных биополимеров и вытеснения ЛВ из микрочастиц в водную фазу. Высокомолекулярный НМ-пектин (в данном случае НМЦ) с длинной цепочкой в условиях низкого рН и ионной силы находится в форме клубка [13] и не способен полностью покрыть эмульсионные частицы, содержащие РХ, и, адсорбируясь на поверхности эмульсионных частиц, вызывает коагуляцию микрокапсул.

Хотя в эмульсионных НМП системах количество частиц с меньшим диаметром было значительно меньше, чем в системах с другими пектинами, однако в течение месяца они показали высокую устойчивость, вероятно, связанную с низким молекулярным весом пектина.

Таким образом, в результате проведённых исследований нами найдены оптимальные условия получения стабильных микрокапсул в эмульсионной системе масло/вода при различных соотношениях LgС/НМ-пектинов, с минимальным размером и максимальным количеством частиц в единице объёма, эффективно захватывающих ЛВ. Показано, что получение стабильной эмульсии с высокой степенью инкапсулирования ЛВ зависит от типа пектина, плотности заряда, молекулярной массы, условий среды (рН и ионная сила), соотношения биополимеров и их агрегирующей способности. Среди изученных пектинов, НМЯ-пектин способен формировать стабильные эмульсии, эффективно захватывать ЛВ в широком диапазоне соотношений LgС/НМЯ.

Работа выполнена в рамках проекта Международного научно-техничкского центра Т-1419 при финансовой поддержке Госдепартамента США по сельскому хозяйству.

Поступило 22.11.2013 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мухидинов З.К., Халиков Д.Х. Пектин - лечебно-профилактический продукт для здоровых и больных. Обзор. информ. // НПИЦентр. - Душанбе, 2005, 60 с.

2. Шарифова З.Б., Усманова С.Р., Мухидинов З.К. и др. Характеристика микрокапсул, полученных на основе яблочного пектина и лактоглобулинов молочной сыворотки - Изв. АН РТ. Отд. физ.-мат., хим., геол. и техн. н., 2009, №2 (135), с.72-77.

3. Мухидинов З.К., Шарифова З.Б., Усманова С.Р. и др. Характеристика микрокапсул, полученных на основе цитрусовых пектинов и лактоглобулина молочной сыворотки - Изв. АН РТ. Отд. физ.-мат., хим., геол. и техн. н., 2010, №2 (139), с.68-73.

4. Dickinson E. - Soft Matter, 2008, v.4, рр. 932-942.

5. McClements, D.J. Food Emulsions: Principles, Practice and Techniques; CRC Press, Boca Raton, FL, 1999, рр.137-147.

6. Шамсоро О., Тешаев Х.И., Мухидинов З.К., Усманова С.Р., Шарифова З.Б., Лиу Л.Ш. Микрокапсулы на основе пектина подсолнечника и концентрата белков молочной сыворотки. - Изв. АН РТ. Отд. физ.-мат., хим., геол. и техн. н., 2012, №2 (147), с. 89-95.

7. Патент РТ TJ 563; ТаджНПИЦентр. Бюл. №86, 2013. Флеш способ экстракции пектина из растительного сырья. /Мухидинов З.К.,Тешаев Х.И., Джонмуродов А.С., Лиу Л.С.

8. Мухидинов З.К., Джонмуродов А.С. и др. - Здравоохранение Таджикистана, 2009, №5, с.44-49.

9. Sperber B. L. H. M., Schols H. A., Cohen Stuart M. A., Norde W. & Voragen A. G. J. - Food Hydrocolloids, 2009, 23(3), рр. 765-772.

10. Netz R R., & Joanny J.F, J.F. - Macromolecules,1999, 32, рр. 9026-9040.

11. Magdassi S, Bach U, Mumcuoglu K.Y. - J.Microencaps, - 1997, 14, рр.189-195.

12. Muhidinov Z.K., Teshaev Kh., Jonmurodov A., Khalikov D. and Fishman M. - Macromolecular Symposia. 2012, v. 317-318, issue 1, рр.142-148.

О.Шамсара, З.К.Мухидинов, Ч,.Т.Бобокалонов*, С.Р.Усманова, Л.Ш.Лиу**, Х.Х.Холицов МИКРО ГИЛОФАКЙ АЗ ПЕКТИЩОИ КАММЕТИЛЙ ВА ЛАКТАГЛОБУЛИЩОИ ЗАРДОБИ ШИР

Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон, *Донишго%и давлатии тиббии Тоцикистон ба номи Абуали ибни Сино, **Маркази тадкцкртии Шарции Департаменти давлатии ИМА доир ба кишоварзи

Равиши тавлиди микро гилофакхо дар асоси пайвастагихои комплексии пектинхои камметилии (КМ) ва лактоглобулинхои зардоби шир дар сатхи сархадии омехтаи равгану об (эмулсия) омухта шудааст. Дар ин раванд, шароити муътадили хосилшавии ин намуд микро гилофакхои дорои гунчоиши максималии маводи дорувор, эмулсияи кавй бо рохи тагйиротхои кувваи ионии махлул, дарёб карда шудааст, ки аз таркиби мутаносибии биополимерхо, зичии заряднокии пектини КМ, массаи молекулвии онхо вобастагй дорад. Устувории ин микро гилофакхр дар системаи пектини КМ-и себ назар ба пектинихои зироатхои ситруси ва офтобпараст бартарй доранд. Ин микрогилофакхо хамчун барандагони дору истифодаи васеъ хоханд ёфт.

Калима^ои калиди: пектини КМ - фушурдаи лактоглобулинуо - микро гилофащо - эмулсия -прироксикам.

O.Shamsara, Z.K.Muhidiniv, D.T.Bobokalonov*, S.R.Usmanova, L.S.Liu**, D.K.Khalikov MICROCAPSULES FROM LOW METHLYLATED PECTINS AND WHY

LACTOGLOBULINS

V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republik of Tajikistan, Abuali ibn Sino Tajik State Medical University, **Eastern Regional Research Center ARS USDA, USA The comparative study of microcapsule formation processes through interfacial reaction of different low methylated pectins and concentrate of why lactoglobulin, in o/w emulsion systems are presented. It's shown that the formation of stable emulsion and efficiency of drug encapsulation depends on biopolymers nature, it's ratio, pectins local charge density and molar mass. Among studied pectins the microcapsules formed from HM-apple pectin has advantageous in particle number, size and drug loading efficiency. Key words: biopolymers - microcapsule - LM-pectin - whey protein concentrate - emulsion - piroxicam.