Исследование синтезированных нанокапсулированных биологически активных добавок в пищевые продукты функционального назначения

XВСЕРОССИЙСКИЙ КОНКУРС ДОСТИЖЕНИЙ ТАЛАНТЛИВЫХ ОБУЧАЮЩИХСЯ «ПОКОЛЕНИЕ НАУКИ»

Секция: «Пищевая промышленность»

Тема: Исследование синтезированных нанокапсулированных биологически активных добавок в пищевые продукты функционального назначения

Автор: Епифанова Екатерина, Куликова Александра, обучающиеся 11 класса

Научный руководитель: учитель биологии и географии Щурова Г.А.

Место выполнения работы: МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №14» г. Курск

2021

Введение

Бурное развитие нанотехнологий в большинстве стран, в том числе и в Российской Федерации (РФ), рассматривается как приоритетное направление, определяющее технический прогресс и эволюцию общества. Нанотехнологии – это технологии, которые позволяют манипулировать веществом на атомном и молекулярном уровне, включающие нанобиотехнологию – область науки, применяющую методы и подходы нанотехнологий для создания различных наноструктур и изучения образованных биологических систем.

Нанобиотехнологии находят рынки сбыта в следующих отраслях:

1. Пищевая промышленность (изготовление продуктов с повышенной пищевой ценностью при рациональном, детском, спортивном, лечебно-профилактическом, парентеральном питании).

2. Фармацевтика (создание средств доставки лекарственных препаратов в определенные типы клеток).

3. Животноводство и ветеринария (добавки к кормам животных).

4. Генная инженерия.

5. Косметология и др.

В материалах проекта представлены разработки технологий синтеза и результаты исследований нанокапсулированных биологически активных добавок в пищевые продукты питания.

Высокотемпературные технологии кулинарной обработки продовольственного сырьяшироко используются в современном пищевом производстве, а рецептуры пищевых продуктов невозможны без разнообразных биологически активных добавок.

При «жестких» режимах уничтожаются очень многие необходимые для человека дефицитные в питании ингредиенты, включая, например, витамины и минеральные компоненты.

Биологически активные вещества в обычном состоянии теряют большой процент полезных свойств при прохождении через кислую среду желудка человека, не достигая адресной доставки к необходимым органам, во втором случае.

Большинство микроорганизмов обладают слабо выраженными «защитными» свойствами и погибают.

Дляустранения двух указанных негативных факторов следует:

а) привести в соответствие технологические процессы производства продовольственных продуктов с возможностью введения в них необходимых добавок при «щадящих» режимах, исключающих значительное уменьшение полезности биологически активных веществ;

б) биологически активные добавки производить в мелкодисперсном состоянии (тем самым, создавая их огромную активную поверхность) в виде наночастиц, заключив их в капсулы со специальными оболочками, т.е. решением проблемы является получение «управляемых» нанокапсул с заданной структурой компонентов. Это позволяет:

1. Доставить нанокапсулированные препараты в требуемые участки организма без потерь.

2. Повысить их биологическую активность.

3. Значительно снизить традиционно рекомендуемые дозировки препаратов.

4. Повысить экономическую эффективность их использования.

Таким образом, вопросы синтеза наноструктурированных биологически активных веществ, их исследования и применения в пищевых функциональных продуктах весьма актуальны.

Целью проекта являются синтез и исследования наноструктурированных препаратов и их включения в рецептуры пищевых продуктов для функционального питания.

В задачи исследований входят:

- разработка научно обоснованной рецептуры комплекса нанокапсул биологически активных веществ, восполняющих недостаток нутриентов в рационе питания;

- разработка и апробация технологий внесения нанокапсулированных ингредиентов в продукты питания;

- разработка методик производства новых наноингредиентов для пищевых продуктов;

- восполнение недостающего количества нутриентов в организме человека с учетом специфики проявления авитаминоза.

Научная новизна предлагаемых в проекте разработок заключается в создании:

- технологии моделирования, проектирования и производства нанокапсулированных биологически активных веществ с заданными характеристиками, используемых для производства функциональных продуктов;

- технологии применения нанокапсулированых биологически активных веществ с заданными характеристиками при производстве продуктов питания.

Содержательная часть. Научно-производственная лаборатория синтеза микро- и наноструктур создана в «РОСИ», продуктивной деятельностью которой являются способы получения, исследования и промышленное применение нанокапсул.

В нанокапсулы заключены:

- витамины (А,В,С,D, E,K,PP);

- микро- и макроэлементы (Zn, Se, Mg, S, Ca,K);

- антиоксиданты (зеленый чай, розмарин, кверцитин, дигидрокверцитин, шиповник, шпинат, бетулин, унаби);

- оксидыисоли (La, Ce, Sr, Ti, Al, Cu(I), Cu(II), Mn, Ni, Co);

- лекарственные препараты (антибиотики, риванол, экстракты лекарственных растений);

- адаптогены (лимонник китайский, элеутерококк, родиола розовая, женьшень, аралия маньчжурская);

- пробиотики.

Нанокапсулы имеют вид порошкообразного вещества и представляют собой образования:

- с одной оболочкой и многокапсульные системы;

- с заданными структурно-механическими и биохимическими характеристиками: размер капсул, толщина оболочки и ее устойчивость к воздействию ферментов.

Размер нанокапсул ― от 25 до 200 нм.

Технологические режимы перемешивания компонентов, состав и концентрация стабилизатора, природа оболочки и виды биологически активных веществ обусловливают заданные свойства полученных нанокапсул.Устойчивость к воздействию среды, ферментов и температуры определяется соотношением размеров оболочки и нанокапсулированного ядра [1].

Для оболочек нанокапсул используются вещества, которые разрешены к применению в пищевой промышленности (обозначения приняты согласно существующей системы цифровой кодификации):

1. альгинат натрия (E401),

2. гуаровая камедь (E412),

3. конжаковая камедь (E425),

4. ксантановая камедь (E415),

5. каррагинан (E407a),

6. камедь рожкового дерева (E410),

7. агар-агар (E406),

8. крахмалы и т.д.

Все перечисленные вещества разрешены нормами СанПина 1078-01.

Использования оригинальных технологий и специального оборудования позволяют:

- проводить нанокапсулирование биологически активных веществ;

- придать псевдосыпучесть жидким веществам;

- объединить в одной капсуле несколько биологически активных веществ, которые не совместимы в обычном состоянии.

Заданные физико-химические свойства получаемыхнанокапсул зависят:

- от соотношения размеров оболочки и нанокапсулируемого ядра;

- природы оболочки и видов биологически активного вещества;

- скорости перемешивания;

- природы и концентрации стабилизатора.

Получаемые нанокапсулы в водных растворах способны создавать самоорганизующиеся структуры.

Конкурентными преимуществами нанокапсулированных веществ перед некапсулированными являются:

- адресная доставка в требуемый сектор организма в исходном состоянии (за счет преодоления кислой среды желудка);

- повышается биодоступность веществ в десятки раз;

- жирорастворимые витамины приобретают водорастворимые свойства;

- пролонгированность действия достигается благодаря использованию многокапсульных комбинированных систем;

- высокая эффективность использования и меньший расход продуктов ядра за счет нанокапсулирования (рис. 1).

Приведем обоснование возможности применения наноструктурированных биологических активных соединений на примере сухого экстракта зеленого чая (в молочных продуктах), и витамина D (кальциферол).

Молоко и продукты, произведенные на его основе, являются одними из традиционно доступных и поэтому основными составляющими рациона питания жителей страны. Благодаря им в организм человека поступает значительная часть основных витаминов и нутриентов.

В то же время, рядовому россиянину ежедневно не хватает 20% витаминов и нутриентов даже при идеально составленном дневном рационе, содержащем 2500 ккал, и только 14% жителей страны обеспечены всем необходимым набором витаминов, а также микро- и макроэлементов [2].

При промышленном производстве этих продуктов, в целях увеличения сроков хранения и уничтожения патогенной флоры, применяются технологии термической обработки двух видов: пастеризация (60-80 градусов, 0,5- 1 часа соответственно) и стерилизация (свыше 120 градусов, несколько минут).

Отрицательным эффектом температурной обработки является изменение составных частей молока: сывороточных белков и некоторых аминокислот; инактивируются ферменты; частично разрушаются витамины.

Например, при длительной высокотемпературной пастеризации, и особенно при стерилизации, лактоза взаимодействует с белками и свободными аминокислотами. В реакцию с лактозой вступает незаменимая аминокислота лизин. Образовавшиеся комплексы трудно расщепляются пищеварительнымиферментами, необходимый лизин «блокируется» и плохо усваиваетсяорганизмом (уменьшается количество доступного лизина, и снижается биологическая

Рис. 1. Разработка функциональных продуктов питания с использованием нанотехнологий

ценность продукта).

Происходит изменение минерального состава молока, которое часто имеет необратимый характер. В первую очередь нарушается соотношение форм солей кальция в плазме молока. При нагревании гидрофосфат кальция, находящийся в виде истинного раствора, переходит в плохо растворимый фосфат кальция.

Витамины являются одними из самых чувствительных к нагреванию составных частей молока и могут разрушаться в количестве до 30% от первоначальной величины [3, 4].

Биологическая ценность зеленого чая обусловлена его химическим составом,который содержит рекордное количество полезных компонентов. В общей сложности,  их численность превышает полтысячи. В состав зеленого чая входят алкалоиды, дубильные вещества, аминокислоты, микро- и макроэлементы, витамины, эфирные масла и др.

Самым ценным свойством экстракта зеленого чая по праву считается способность тормозить окисление органических соединений, уменьшается скорость образования свободных радикалов и тем самым замедляется процесс старения.

Поддержание в организме постоянной концентрации иона Са⁺² и фосфора - основная функция витамина D.

При недостатке витамина D повышает вероятность ухудшения внимания и расстройства памяти.

Показаниями к приему витамина D являются: переломы костей, остеопороз, остеомиелит (воспаление костного мозга), остеомаляция, замедленное образование костной мозоли, красная волчанка, хронический гастрит, хронический энтерит, артрит, псориаз.

Эти свойства витамина D можно использовать в функциональных продуктах питания, если его перевести в наноформу. Это приведет к тому, что биоусвояемость витамина D увеличится многократно, а, кроме того, этот жирорастворимый витамин можно будет растворять в воде.

Материалы и методы исследований

Доказательством наноразмеров частиц является самоорганизация. Природа полимерной оболочки обусловливает необходимость применения для изучения нанокапсул методов, обладающих минимальным разрушающим воздействием на химические структуры. В качестве этих методов были использованы, так называемые self-organization (самоорганизация), широко используемая в супрамолекулярной химии и метод NTA (метод визуализации и изучения наночастиц в растворах, разработаны компанией Nanodaight (Великобритания). В его основе лежит наблюдение за броуновским движением отдельных частиц, скорость которого зависит от вязкости и температуры жидкости, а также размера и формы наночастицы. Это позволяет использовать данный принцип для измерения размера наночастиц в коллоидных растворах. В дополнение к размеру одновременно возможно измерение интенсивности рассеяния света индивидуальной наночастицы, что позволяет дискриминировать наночастицы по их материалу. Третьим измеряемым параметром является концентрация каждой из фракций наночастиц.

Измерения проводили на мультипараметрическом анализаторе наночастицNanosight LM10 производства NanosightLtd (Великобритания) в конфигурации HS-BF (высокочувствительная видеокамера AndorLuca, полупроводниковый лазер с длиной волны 405 нм и мощностью 45 мВт). Прибор основан на методе анализа траекторий наночастиц (NanoparticleTrackingAnalysis, NTA), описанном в ASTME2834.

Оптимальным для разведения было выбрано 1: 100, а для измерения - параметры прибора: CameraLevel = 16, DetectionThreshold = 10 (multi), MinTrackLength: Auto, MinExpectedSize: Auto.длительность единичного измерения 215s, использование шприцевого насоса.

Нами проведены исследования по возможности организации наноструктур и влиянию природы оболочки на размер нанокапсул. В качестве оболочек использовались: альгинат натрия, каррагинан, конжаковая, ксантановая и геллановая камеди агар-агар, хитозан, а также натрий карбоксиметилцеллюлозы и др.

Самоорганизацию изучали следующим образом. Наноструктурированный сухой экстракт зеленого чая в той или иной оболочке растворяли в воде в концентрации 0,5, 0,25 или 0,125%. Наносили каплю на предметное стекло, высушивали и смотрели на микроскопе Биомед-3 с увеличением в 400 раз.

Поскольку в водном растворе микрокапсул 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 характернасамосборка. Следовательно, наноструктурированный сухой экстракт зеленого чая обладает супрамолекулярными свойствами.

Размеры полученных нанокапсул определялись методом NTA, 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 супрамолекулярных ансамблей. К супрамолекулярным свойствам относятся самосборка и самоорганизация [5, 6].

На рис. 2 представлены самоподобные объекты, инвариантные относительно локальных дилатаций, т.е. фракталы. 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, в свою очередь, подтверждает образование нанокапсул.

Рис. 2. Конфокальное изображение фрактальной композиции наноструктурированного сухого экстракта зеленого чая

Рис. 3. Размерное распределение частиц в образце нанокапсул сухого экстракта зеленого чая в агар-агаре (соотношение ядро:оболочка 1:3)

Таблица 1

Характеристики распределений (статистика)

Рис.4.Размерное распределение частиц в образце нанокапсул сухого экстракта зеленого чая в альгинате натрия (соотношение ядро:оболочка 1:3)

Таблица 2

Характеристики распределений (статистика)

Рис. 5.Размерное распределение частиц в образце нанокапсул сухого экстракта зеленого чая в хитозане (соотношение ядро:оболочка 1:1)

Таблица 3

Характеристики распределений (статистика)

Рис.6. Размерное распределение частиц в образце нанокапсул сухого экстракта зеленого чая в хитозане (соотношение ядро:оболочка 1:3)

Таблица 4

Характеристики распределений (статистика)

Как видно из рис. 3-6 и табл. 1-4 размер наноструктурированного сухого экстракта зеленого чая зависит от природы оболочки. Так, размер наночастицы меньше всего имеет место быть в случае использования в качестве оболочки хитозана и соотношении ядро:оболочка 1:1. При этом, наибольшие размеры - при использовании в качестве оболочек хитозана при соотношении ядро:оболочка 1:3 и каррагинана.

При этом показатель коэффициента полидисперсностиговорит о том, что большинство наночастиц имеет шаровидную форму (0,85-1,53).

Методы исследований наноструктурированного витамина D в различных оболочках такие же, как и в сухом экстракте зеленого чая, только при увеличениях в 1200, 620, 730 раз.

Результаты приведены на рис. 7, где представлены самоподобные объекты, инвариантные относительно локальных дилатаций, т.е. фракталы.

Поскольку в водном растворе наноструктурированного витамина D при достаточно низкой концентрации обнаружены фрактальные композиции, они обладают самоорганизацией. Образование наночастиц происходит спонтанно за счет нековалентныхвзаимодествий и это говорит о том, что для них характернасамосборка, следовательно, инкапсулированный жирорастворимый витамин обладает супрамолекулярными свойствами.

Рис. 7. Микроскопическое изображение фрактальной композиции из раствора нанокапсулвитамина D

Результаты исследований размеров инкапсулированного витамина D представлены на рис. 8-11 и табл. 5-8.

Рис.8.Размерное распределение частиц в образце наноструктурированного витамина D в альгинате натрия (соотношение ядро:оболочка 1:3).

Таблица 5

Характеристики распределений (статистика)

Рис. 9.Размерное распределение частиц в образце наноструктурированного витамина D в каррагенане (соотношение ядро:оболочка 1:3).

Таблица 6

Характеристики распределений (статистика)

Рис. 10. Размерное распределение частиц в образце наноструктурированного витамина D в конжаке гумм (соотношение ядро:оболочка 1:3)

Таблица 7

Характеристики распределений (статистика)

Рис. 11. Размерное распределение частиц в образце наноструктурированного витамина D в ксантановой камеди (соотношение ядро:оболочка 1:3)

Таблица 8

Характеристики распределений (статистика)

Выводы:

1. Исследования в области повышения питательных свойств молочных продуктов с использованием нанокапсулированных биологически активных веществ природного происхождения позволят выработать научно обоснованные методы корректировки авитаминоза современного человека путем создания новых молочных продуктов с учетом сбалансированных потребностей организма в зависимости от возраста, пола, профессиональных требований, состояния организма.

2. В результате проведенных исследований нами показано, что наноструктурированный витамин D в различных оболочках проявляет супрамолекулярные свойства, способен растворяться в воде, а средний размер наночастиц по всей испытываемой группе оболочек составляет 187 нм, что позволяет говорить об эффективности применениянаноингредиентов в функциональных продуктах питания.

На ОАО «Курскхлеб», ОАО «ВОСЛА» Курская халвичная фабрика и АО «КОНТИ-РУС» (г. Курск) в настоящее время ведутся исследования по включению нанокапсул с требуемыми ингредиентами в рецептуры для производства хлебобулочных изделий, халвы, щербета, карамели, мармелада, зефира, пастилы, при изготовлении помадных и пралиновых конфет.

Список использованной литературы:

1. Новиков С.Г., Сазонова О.Н., Технологии и синтез наноструктурированных ингредиентов на основе биологически активных веществ//Молодежь и наука XXI века: Сборник материалов XXV Всероссийской студенческой научно-технической конференции 18-19 апреля 2018 г./Под ред. Жигалевой О.Л., Шкодкиной Н.Н.-Курск: ООО «ГИРОМ-принт», 2018.- С167-169.

2. РИА новости: Витаминный голод [Электронный ресурс]. – Режим доступа:. https://ria.ru/20181012/1530457634.html?inj=1. Дата обращения – [16.09.2020].

3. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. – М: Легкая и пищевая промышленность, 2007. – 334 с.

4. Будылина М.Д., Мамаева Е.М., Новиков С.Г. Разработка новых функциональных молочных продуктов лечебно-профилактического назначения с включением нанокапсулированных биологически активных веществ//Молодежь и наука XXI века: Сборник материалов XXVII Всероссийской студенческой научно-технической конференции 10-11 апреля 2020 г./Под ред. Жигалевой О.Л., Шкодкиной Н.Н.-Курск: ООО «Структура печати», 2020.- С.150-152.

5. Зоркий П.М., Лубнина И.Е. Супрамолекулярная химия: возникновение, развитие, перспективы / Вестн. Моск. ун-та. – 1999. – №5. – С. 300-307.

6. Григорьев Ф.В., Романов А.Н., Лайков Д.Н. и др. Методы молекулярного моделирования супрамолекулярных комплексов: иерархический подход / Российские нанотехнологии. – 2010. – №5-6. – С. 47-53.