CC BY
3Процессы и машины агроинженерных систем
УДК 543.645.6 Код ВАК 4.3.1
ИНКАПСУЛЯЦИЯ БИОПЕПТИДА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ПОД
ДЕЙСТВИЕМ ПЕПТИДАЗ С.Л. Тихонов р Н.В. Тихонова 1
ХФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Екатеринбург, Россия
*E-mail: [email protected]
Аннотация: При приеме внутрь пептиды должны оставаться стабильными, до достижения кишечника. Это сложная задача из-за кислой pH в желудке и наличия протеолитических ферментов Одним из перспективных технологий обеспечения стабильности биопептидов в желудочно-кишечном тракте и увеличения периода полураспада является инкапсуляция. Установлено, что через 2 минуты инкапсулирования пептида в мальтодекстрин толщина защитного покрытия составила 12 мкм, после 3 минут - 14 мкм и 5 минут на уровне 16 мкм. Стабильность микрокапсулированного пептида с толщиной защитного покрытия из мальтодекстрина 14 мкм в модели желудка человека составила 97%, в то время, как свободного пептида 37%.
Ключевые слова: пептид, инкапсуляция, защитное покрытие. мальтодекстрин, стабильность
ENCAPSULATION OF A BIOPEPTIDE TO ENSURE STABILITY UNDER THE ACTION OF
PEPTIDASES Tihonov S.L.1* Tihonova N.V.1
1Ural State Agrarian University, Yekaterinburg, Russian Federation
*E-mail: [email protected]
Abstract. When ingested, peptides should remain stable until they reach the intestine. This is a difficult task due to the acidic pH in the stomach and the presence of proteolytic enzymes, encapsulation is one of the promising technologies for ensuring the stability of biopeptides in the gastrointestinal tract and increasing the half-life. It was found that after 2 minutes of encapsulation of the peptide in maltodextrin, the thickness of the protective coating was 12 microns, after 3 minutes - 14 microns and 5 minutes at the level of 16 microns. The stability of the microcapsulated peptide with a maltodextrin protective coating thickness of 14 microns in the human stomach model was 97%, while the free peptide was 37%.
Keywords: peptide, encapsulation, protective coating. maltodextrin, stability
Введение (Introduktion)
Стабильность пептидов и пептидных препаратов и короткий период полураспада создает ограничения для их использования в составе биологически активных добавок к пище и специализированной пищевой продукции [1]. Что касается местного применения, простые препараты на основе пептидов для внутримышечного введения подвержены разрушению под воздействием факторов
окружающей среды (гидролиз, окисление, фотолиз). Быстрая протеолитическая деградация в крови пептидов, повышенный печеночный и почечный клиренс [2] и чувствительность к физиологическим концентрациям солей [3] и короткий период полураспада ограничивает эффективное использование биопептидов. Кроме того, плохое проникновение полипептидов через слизистую оболочку кишечника снижает возможность перорального введения [4].
Клиническое применение биоактивных пептидов сильно ограничено трудностью поиска эффективного метода введения [5]. В области фармакологии большинство препаратов на основе белка вводятся путем парентеральных инъекций. Однако такой подход к введению имеет несколько недостатков, главным образом (1) сложность самостоятельного введения, (2) короткий период полураспада белков и (3) белки могут легко разлагаться в кровотоке [6]. Хотя пероральный прием биоактивных пептидов является гораздо более простым и практичным подходом для потребителей, при его использовании существует множество проблем, которые необходимо преодолеть (рисунок 1).
Преимущества Недостатки
Широкий спектр
Высокая гигроскопичность
биологическая активность
Отсутствие побочных эффектов
Низкие производственные затраты
Физико - химическая
нестабильность
Рисунок 1 Преимущества и недостатки использования биопептидов
1. Высокая гигроскопичность, которая может привести к физико-химической нестабильности и потере биоактивности [7].
2. Горечь из-за воздействия на вкусовые рецепторы гидрофобных аминокислотных остатков, образующихся в результате гидролиза. Это оказывает негативное влияние на восприятие потребителем [8].
3. Низкая растворимость в воде, ограничивающая введение гидролизатов или пептидов в пищевые матрицы, что требует создания дисперсных систем [9].
4. Физико-химическая нестабильность при хранении, переработке и переваривании из-за воздействия на пептиды условий окружающей среды (например, кислорода, тепла) или их взаимодействия с пищеварительными протеазами и другими соединениями, присутствующими в матрице пищевых продуктов [10].
5. Ограниченная биодоступность. После приема в организм пептиды должны оставаться нетронутыми до тех пор, пока они не всасываются в кишечнике, чтобы проявить свою биологическую активность. Это сложная задача из-за кислой pH в желудке и ферментативно активных желудочной и кишечных жидкостей [11].
Одним из перспективных технологий обеспечения стабильности биопептидов в желудочно-кишечном тракте и увеличения периода полураспада является инкапсуляция.
Цель исследований - определение технологических режимов инкапсуляции биопептида и оценка его стабильности в модели жкт.
Методология и методы исследования (Methods)
Пептид, выделенный из молозива коров с аминокислотной последовательностью STKRHRMHACSWRGP LKALSNPRAEFRR и молекулярной массой 22 кДа. Инкапсуляцию пептида проводили в псевдокипящем слое из 10% водного раствора мальтодекстрина. Оценку толщину защитного покрытия определяли с помощью электронного микроскопа. Эффективность инкапсуляции (ЭИ) определяли как процентное содержание пептида, которое удерживается внутри матрицы-носителя по отношению к первоначально добавленному количеству.
Результаты исследований (The results of the research) Установлено, что через 2 минуты инкапсулирования толщина защитного покрытия составила 12 мкм, после 3 минут - 14 мкм и 5 минут на уровне 16 мкм. Полученные данные согласуются с исследованиями [12] в которых установлено, что для повышения стабильности пептидов при хранении желательно, чтобы инкапсулированные пептиды были небольшого диаметра от 0,25 до 50 мкм.
ЭИ является одним из основных параметров, определяющих стабильность срока годности инкапсулированного биологически активного вещества. По данным [13] низкие значения ЭИ не оказывает существенного влияние на стабильность биопептидов. Установлено, что эффективность инкапсуляции пептида в псевдокипящем слое через 2, 3 и 5 минут обработки составила 65, 78 и 83 %, что согласуется с данными исследований [1 4] в которых ЭИ биоактивных веществ в один защитный слой превышала 50%, за исключением исследований Ying et al. [15], которые установили значения ЭИ в диапазоне 29,51-45,83% при инкапсуляции соевых пептидов с помощью W1 / O / W2. Возможно, это связано с тем, что эмульсия не была физически стабильной. Наибольшая ЭИ (~ 100%) была достигнута
[16], где овальбумин инкапсулировали с использованием декстрансульфата и поли-1-аргинина в качестве носителя при получении вакцин.
Установлено, что стабильность инкапсулированного пептида с толщиной защитного покрытия из мальтодекстрина 14 мкм в модели желудка человека составила 97%, в то время, как свободного пептида 37%, что согласуется с исследованиями [17] в которых получали инкапсулятов, содержащие пептиды, путем использования поверхностно-активных веществ, в частности, применяли Tween 80 с целью уменьшения миграции пептидов льняного семени на границу раздела воздух-вода. В эксперименте использовании мальтодекстрина в качестве носителя. Авторы [17] установили снижение деградации под действием напряжения сдвига и дегидратации, что также приводит к повышению биологической активности инкапсулированных пептидов.
Выводы и рекомендации (Conclusions and recommendations)
Таким образом, инкапсуляция пептида в защитное покрытие из мальтодекстирина обеспечивает его стабильность в желудочно-кишечном тракте.
Библиографический список (Refere^es):
1. Mahlapuu, M., et al., 2020. Antimicrobial peptides as therapeutic agents: opportunities and challenges. Crit. Rev. Biotechnol. 40 (7), 978-992. https://doi.org/10.1080/ 07388551.2020.1796576
2. Vlieghe, P., et al., 2010. Synthetic therapeutic peptides: science and market. Drug Discov. Today 15 (1), 40-56. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2009.10.009
3. Sarkar, T., et al., 2021. Antimicrobial Peptides and Proteins: From Nature's Reservoir to the Laboratory and Beyond. Front. Chem. 9, 691532 https://doi.org/10.3389/ fchem.2021.691532
4. Deptula, M., et al., 2018. Antibacterial peptides in dermatology-strategies for evaluation of allergic potential. Molecules 23 (2), 414. https://doi.org/10.3390/
5. Wang, L.; Wang, N.; Zhang, W.; Cheng, X.; Yan, Z.; Shao, G.; Wang, X.; Wang, R.; Fu, C. Therapeutic Peptides: Current Applications and Future Directions. Signal Transduct. Target. Ther. 2022, 7, 1-27
6. Moreira, A.; Lawson, D.; Onyekuru, L.; Dziemidowicz, K.; Angkawinitwong, U.; Costa, P.F.; Radacsi, N.; Williams, G.R. Protein Encapsulation by Electrospinning and Electrospraying. J. Control. Release 2021, 329, 1172-1197
7. Aguilar-Toala, J.E.; Quintanar-Guerrero, D.; Liceaga, A.M.; Zambrano- Zaragoza, M.L. Encapsulation of Bioactive Peptides: A Strategy to Improve the Stability, Protect the Nutraceutical Bioactivity and Support Their Food Applications. RSC Adv. 2022, 12, 6449-6458
8. Iwaniak, A.; Hrynkiewicz, M.; Bucholska, J.; Minkiewicz, P.; Darewicz, M. Understanding the Nature of Bitter-Taste Di- and Tripeptides Derived from Food Proteins Based on Chemometric Analysis. J. Food Biochem. 2019, 43, e12500.
9. Karami, Z.; Akbari-adergani, B. Bioactive Food Derived Peptides: A Review on Correlation between Structure of Bioactive Peptides and Their Functional Properties. J. Food Sci. Technol. 2019, 56, 535-547
10. Pei, J.; Gao, X.; Pan, D.; Hua, Y.; He, J.; Liu, Z.; Dang, Y. Advances in the Stability Challenges of Bioactive Peptides and Improvement Strategies. Curr. Res. Food Sci. 2022, 5, 2162-2170
11. Perry, S.L.; McClements, D.J. Recent Advances in Encapsulation, Protection, and Oral Delivery of Bioactive Proteins and Peptides Using Colloidal Systems. Molecules 2020, 25, 1161
12. Rahmani-Manglano, N.E.; Guadix, E.M.; Jacobsen, C.; García-Moreno, P.J. Comparative Study on the Oxidative Stability of Encapsulated Fish Oil by Monoaxial or Coaxial Electrospraying and Spray-Drying. Antioxidants 2023, 12, 266
13. Piñón-Balderrama, C.I.; Leyva-Porras, C.; Terán-Figueroa, Y.; Espinosa-Solís, V.; Álvarez-Salas, C.; Saavedra-Leos, M.Z. Encapsulation of Active Ingredients in Food Industry by Spray-Drying and Nano Spray-Drying Technologies. Processes 2020, 8, 889
14. Mohan, A.; Rajendran, S.R.C.K.; He, Q.S.; Bazinet, L.; Udenigwe, C.C. Encapsulation of Food Protein Hydrolysates and Peptides: A Review. RSC Adv. 2015, 5, 79270-79278.
15. Ying, X.; Gao, J.; Lu, J.; Ma, C.; Lv, J.; Adhikari, B.; Wang, B. Preparation and Drying of Water-in-Oil-in-Water (W/O/W) Double Emulsion to Encapsulate Soy Peptides. Food Res. Int. 2021, 141, 110148
16. De Koker, S.; Fierens, K.; Dierendonck, M.; De Rycke, R.; Lambrecht, B.N.; Grooten, J.; Remon, J.P.; De Geest, B.G. Nanoporous Polyelectrolyte Vaccine Microcarriers. A Formulation Platform for Enhancing Humoral and Cellular Immune Responses. J. Control. Release 2014, 195, 99-109.
17. Sarabandi, K.; Jafari, S.M. Improving the Antioxidant Stability of Flaxseed Peptide Fractions during Spray Drying Encapsulation by Surfactants: Physicochemical and Morphological Features. J. Food Eng. 2020, 286, 110131
