CC BY
36
УДК 663.052
СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО УНАБИ
Кролевец А.А.1 Левченко О.В.2 Глотова С.Г.3 Семичев К.М.4 Дубцова Г.Н.5
1) Региональный открытый социальный институт, ул. Маяковского, д. 85,
г. Курск, 305009, Россия. a krolevets@inbox.ru
2) Региональный открытый социальный институт, ул. Маяковского, д. 85,
г. Курск, 305009, Россия. frosch23@list.ru
3) Региональный открытый социальный институт, ул. Маяковского, д. 85,
г. Курск, 305009, Россия. ladiglotovasveta@yandex.ru
4) Региональный открытый социальный институт, ул. Маяковского, д. 85,
г. Курск, 305009, Россия.
kirill.semichev@yandex.ru 5) Московский государственный университет пищевых производств, Волоколамское ш., д.8, г.Москва, 125080, Россия. doubtsova@mail.ru
Аннотация. В работе приведены данные по исследованию наноструктурированного унаби в различных оболочках, в качестве которых использовались каррагинан, ксантановая, конжаковая и геллановая камеди, агар-агар, натрий-карбоксиметилцеллюлоза и альгинат натрия, в соотношениях ядро : оболочка 1 : 3. Можно отметить изменение размера наночастиц в зависимости от природы оболочки. Например, наибольшие средние размеры (340 и 420 нм) образуются в ксантановой камеди и в натрий-карбоксиметилцеллюлозе, соответственно, а наименьший средний размер (152 нм) образуется в альгинате натрия. При этом наименьший размер D10 (37,4 нм) дает геллановая камедь. Полученные результаты могут использоваться для разработки новых препаратов медицинского назначения и в пищевой промышленности для создания продуктов функционального назначения.
Ключевые слова: унаби, самоорганизация, метод NTA.
UDC 663.052
PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED UNABI
Krolevets A.A.1 Levchenko O.V.2
Glotova S.G.3 Semichev K.M.4 Nubtsova G.N.5
1)1 Regional Open Social Institute, 85 Mayakovsky St., Kursk, 305009, Russia.
E-mail: a krolevets@inbox.ru
2) Regional Open Social Institute, 85 Mayakovsky St., Kursk, 305009, Russia.
E-mail: frosch23@list.ru
3) Regional Open Social Institute, 85 Mayakovsky St., Kursk, 305009, Russia.
E-mail: ladiglotovasveta@yandex.ru
4) Regional Open Social Institute, 85 Mayakovsky St., Kursk, 305009, Russia.
E-mail: kirill.semichev@yandex.ru 5) Moscow State University of Food Production, 8 Volokolamskoe Rd., Moscow,
125080, Russia.
Е-mail: doubtsova@mail.ru
Abstract. The paper presents some data on the study of nanostructured unabi in different shells, such as carrageenan, xanthan, konjac and gellan gum, agar-agar, sodium carboxymethyl cellulose and sodium alginate at the ratio of core and shell 1: 3. We can note the change in nanoparticle size depending on the nature of the shell. For example, the largest average dimensions (340 and 420 nm) are formed in xanthan gum and sodium carboxymethyl cellulose respectively. And the smallest average size (152 nm) is formed in sodium alginate. At the same time, the smallest dimension of D10 (37.4 nm) is produced by gellan gum. The results obtained can be used for the development of new medicinal products and in the food industry for the development of functional products.
Keywords: unabi, self-organization, NTA method.
Введение. Унаби по латыни называется «зизифус», а в народе это растение зовётся «китайский финик». Зизифус принадлежит к семейству крушиновых. Встречается в диком виде на большой территории от центрального Китая до Закавказья, а культивируется унаби ещё шире: во всех местностях, где только возможно его выращивание.
Мякоть плодов зизифуса обладает лекарственными свойствами. Содержащиеся в плодах вещества укрепляют сердечную мышцу, понижают кровяное давление и очень полезны для больных гипертонией. В настоящее время плоды унаби применяют как мочегонное средство при почечнокаменной болезни и воспалении мочевого пузыря. Используют их и как тонизирующее средство. Плоды унаби включают в диету при болезнях
печени, гипертонии (как понижающее давление и мочегонное средство), заболеваниях органов дыхания (отмечено, что они оказывают смягчающий эффект при бронхитах, трахеитах, заболеваниях горла). Отвар листьев и коры унаби применяется при легочных заболеваниях, а наружно - при кожных.
Очевидным путем повышения биодоступности является уменьшение частиц ингредиента до микро- и наноразмеров. На примере многих лекарственных веществ было показано, что уменьшение размеров частиц приводит к изменению биодоступности и эффективности (Mathiowitz and other, 1997).
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 (Григорьев и др., 2010; Зоркий, Лубнина, 1999). В супрамолекулярной химии для достижения контролируемой сборки молекулярных сегментов и спонтанной организации молекул в стабильной структуре используют нековалентные взаимодействия (Rana and other, 2005; Mendes and other, 2011). Самоорганизующиеся структуры можно имитировать как аспекты биологических систем: искусственные клетки мембран, ферментов, или каналы (Hentze, Kaler, 2003).
Основная часть.
Целью исследований является изучение свойств наноструктурированного унаби в различных оболочках (каррагинан, ксантановая, конжаковая и геллановая камеди, агар-агар, натрий-карбоксиметилцеллюлоза и альгинат натрия) как перспективного наноингредиента для разработки новых препаратов медицинского назначения и пищевых продуктов функционального назначения.
Материалы и методы исследования. Материалами исследования являлись образцы нанокапсулированные образцы унаби в различных оболочках: каррагинан, ксантановая, конжаковая и геллановая камеди, агар-агар, натрий карбоксиметилцеллюлоза и альгинат натрия, в соотношениях ядро : оболочка 1 : 3.
Исследование самоорганизации микрокапсул проводили следующим образом. Порошок инкапсулированного биополимером унаби растворяли в воде. Оптимальным разведением было выбрано соотношение исследуемого порошка и воды 1 : 100. Каплю исследуемого наносили на покровное стекло и выпаривали. Высушенную поверхность сканировали методом конфокальной микроскопии на микроспектрометре OmegaScope, производства AIST-NT (г. Зеленоград), совмещенном с конфокальным микроскопом. На этом же приборе получены микрофотографии с самоорганизацией.
Изучение инкапсулированных унаби в сильно разбавленных водных растворах проводилось с помощью метода NTA (метод анализа траектории
наночастиц). Измерения проводили на мультипараметрическом анализаторе наночастиц Nanosight LM0 производства Nanosight Ltd (Великобритания) в конфигурации HS-BF (высокочувствительная видеокамера Andor Luca, полупроводниковый лазер с длиной волны 405 нм и мощностью 45 мВт). Работа прибора основана на методе анализа траекторий наночастиц (Nanoparticle Tracking Analysis, NTA), описанном в ASTM E2834. Для измерения были выбраны параметры прибора: Camera Level = 16, Detection Threshold = 10 (multi), Min Track Length:Auto, Min Expected Size: А^о.длительность единичного измерения 215 с, использование шприцевого насоса.
Результаты исследования и их обсуждение. Как видно из рис. 1-3, образование нанокапсул происходит спонтанно за счет нековалентных взаимодействий, и это говорит о том, что для них характерна самосборка. Представленные структуры являются упорядоченными, значит, они обладают самоорганизацией. Следовательно, инкапсулированные полимерной оболочкой унаби обладают супрамолекулярными свойствами. Более того, вид и характер самоорганизации позволяет предположить, что данный характер существенно зависит от природы инкапсулированного биологически активного соединения. Это позволяет говорить о возможности идентификации биологически активных соединений в инкапсулированном виде.
д е
Рис. 1. Конфокальное изображение фрактальной композиции из раствора нанокапсул унаби (0,5%) с увеличением: а) 505 раз, б) 620 раз, в) 930 раз, г) 1200 раз, д) 1770 раз,
е) 2830 раз
Fig. 1. ^nfocal image of а fractal composition from the solution of nanocapsules unabi (0.5%) with an increase of: a) 505 times, b) 620 times, c) 930 times, d) 1200 times, e) 1770
times, f) 2830 times
а
б
в
г
Л **
д
е
Рис. 2. Конфокальное изображение фрактальной композиции из раствора нанокапсул унаби (0,25%) с увеличением: а) 505 раз, б) 620раз, в) 930 раз, г) 1200 раз, д) 1770 раз, е)
2830 раз
Fig. 2. ^nfocal image of а fractal composition from the solution of nanocapsules unabi (0.25%) with an increase of: a) 505 times, b) 620 times, c) 930 times, d) 1200 times, e) 1770
times, f) 2830 times
Рис. 3. Конфокальное изображение фрактальной композиции из раствора нанокапсул унаби (0,125%) с увеличением: а) 505 раз, б) 620 раз, в) 930 раз, г) 1200 раз, д) 1770 раз,
е) 2830 раз
Fig. 3. ^nfocal image of а fractal composition from the solution of nanocapsules unabi (0.125%) with an increase of: a) 505 times, b) 620 times, c) 930 times, d) 1200 times, e) 1770
times, f) 2830 times
На рис. 4-10 представлены результаты измерения для нанокапсул унаби в различных оболочках.
Рис. 4. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул унаби в конжаковой камеди (соотношение ядро : оболочка 1 : 3) Fig. 4. Particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in konjac gum (proportion
of core and shell is 1: 3)
Статистические характеристики распределений приведены в табл. 1.
Таблица 1
Статистические характеристики распределения частиц по размерам в образце нанокапсул унаби в конжаковой камеди (соотношение ядро : оболочка 1 : 3)
Table 1
Statistical characteristics of particle size distribution in a sample of nanocapsules unabi in
konjac gum (proportion of core : shell is 1 : 3)
Параметр Значение
Средний размер, нм 218,80
D10, нм 57,90
D50, нм 136,50
D90, нм 434,20
Коэффициент полидисперсности, (D90-D10)/D50 2,76
Общая концентрация частиц, х108 частиц/мл 24,40
9,0 8,0
1 7,0
6,0
=f в,0
s —
u
? 4,0
s
=r
CL —
О
=r т о
3,0 2,0 1,0 0,0
<1
1 1.1 1 .i.
.1 ■ ll ml lull...........
V V
V
^ i
.V 0У1 . ¿V
О'1 ¿V
л10
¿V
Размер час!иц, им
Рис. 5. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул унаби в агар-агаре
(соотношение ядро : оболочка 1 : 3)
Fig. 5. Particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in agar-agar (proportion
of core and shell is 1: 3)
Статистические характеристики распределений приведены в табл. 2.
Таблица 2
Статистические характеристики распределения частиц по размерам в образце
нанокапсул унаби в агар-агаре (соотношение ядро : оболочка 1 : 3)
Table 2
Statistical characteristics of particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in
agar-agar (proportion of core and shell is 1 : 3)
Параметр Значение
Средний размер, нм 275,40
D10, нм 61,20
D50, нм 195,60
D90, нм 492,70
Коэффициент полидисперсности, (D90-D10)/D50 2,21
Общая концентрация частиц, х1012 частиц/мл 5,36
Рис. 6. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул унаби в каррагинане
(соотношение ядро : оболочка 1 : 3) Fig. 6. Particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in carageenan (proportion
of core and shell is 1: 3)
Статистические характеристики распределений приведены в табл. 3.
Таблица 3
Статистические характеристики распределения частиц по размерам в образце
нанокапсул унаби в каррагинане (соотношение ядро : оболочка 1 : 3)
Table 3
Statistical characteristics of particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in carageenan (proportion of core and shell is 1 : 3)
Параметр Значение
Средний размер, нм 184,00
D10, нм 73,00
D50, нм 150,00
D90, нм 343,00
Коэффициент полидисперсности, ф90- Б10)/Б50 1,80
Общая концентрация частиц, х1012 частиц/мл 0,62
Рис. 7. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул унаби в альгинате
натрия (соотношение ядро : оболочка 1 : 3) Fig. 7. Particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in sodium alginate
(proportion of core and shell is 1: 3)
Статистические характеристики распределений приведены в табл. 4.
Таблица 4
Статистические характеристики распределения частиц по размерам в образце
нанокапсул унаби в альгинате натрия (соотношение ядро : оболочка 1 : 3)
Table 4
Statistical characteristics of particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in sodium alginate (proportion of core and shell is 1 : 3)
Параметр Значение
Средний размер, нм 152,00
D10, нм 76,00
D50, нм 135,00
D90, нм 247,00
Коэффициент полидисперсности, ф90- Б10)/Б50 1,27
Общая концентрация частиц, х1012 частиц/мл 1,50
Рис. 8. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул унаби в ксантановой
камеди (соотношение ядро : оболочка 1 : 3) Fig. 8. Particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in xanthan gum (proportion
of core and shell is 1 : 3)
Статистические характеристики распределений приведены в табл. 5.
Таблица 5
Статистические характеристики распределения частиц по размерам в образце нанокапсул унаби в ксантановой камеди (соотношение ядро : оболочка 1 : 3)
Table 5
Statistical characteristics of particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in xanthan gum (proportion of core and shell is 1 : 3)
Параметр Значение
Средний размер, нм 340,00
D10, нм 96,00
D50, нм 189,00
D90, нм 890,00
Коэффициент полидисперсности, (D90- D10)/D50 4,20
Общая концентрация частиц, х1012 частиц/мл 0,58
Рис. 9. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул унаби в геллановой камеди (соотношение ядро : оболочка 1 : 3) Fig. 9. Particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in gellan gum (proportion
of core and shell is 1: 3)
Статистические характеристики распределений приведены в табл. 6.
Таблица 6
Статистические характеристики распределения частиц по размерам в образце
нанокапсул унаби в gellan камеди (соотношение ядро : оболочка 1 : 3)
Table 6
Statistical characteristics of particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in gellan gum (proportion of core and shell is 1 : 3)
Параметр Значение
Средний размер, нм 283,80
D10, нм 37,40
D50, нм 184,40
D90, нм 576,10
Коэффициент полидисперсности, (D90-D10)/D50 2,92
Общая концентрация частиц, х1012 частиц/мл 5,92
3,5
I 3,0
no 2,5
2,0
S? 1,5
S. 1,0 ii
aj J
o 0,5
0,0
I...I
I.
■У
& j? p <¿y # ¿y 4? ¿y ¿y <<y <r & & &
Размер частиц, нм
Рис. 10. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул унаби в натрий карбоксиметилцеллюлозе (соотношение ядро : оболочка 1 : 3) Fig. 10. Particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in sodium carboxymethyl
cellulose (proportion of core and shell is 1 : 3)
Статистические характеристики распределений приведены в табл. 7.
Таблица 6
Статистические характеристики распределения частиц по размерам в образце нанокапсул унаби в натрий карбоксиметилцеллюлозе (соотношение ядро :
оболочка 1 : 3)
Table 6
Statistical characteristics of particle size distribution in a sample of unabi nanocapsules in
sodium carboxymethyl cellulose (proportion of core and shell is 1 : 3)
Параметр Значение
Средний размер, нм 419,90
D10, нм 146,10
D50, нм 321,60
D90, нм 653,40
Коэффициент полидисперсности, (D90-D10)/D50 1,58
Общая концентрация частиц, х1012 частиц/мл 3,81
Заключение. Полученные данные доказывают наличие нанокапсул в растворах изучаемых образцов. Из рисунков видно, что размеры капсул практически не превышают порога в 1000 нм, а их основная масса лежит в пределах 50-300 нм. Так же можно отметить изменение размера наночастиц
в зависимости от природы оболочки. Например, наибольшие средние размеры (340 и 420 нм) образуются в ксантановой камеди и в натрий карбоксиметилцеллюлозе, соответственно, а наименьший средний размер (152 нм) образуется в альгинате натрия. При этом наименьший размер D10 (37,4 нм) дает геллановая камедь.
Таким образом, данное исследование доказало образование нанокапсул унаби в биополимерах. При этом основной размер нанокапсул составляет 120-200 нм.
Полученные результаты могут использоваться для разработки новых препаратов медицинского назначения и в пищевой промышленности для создания продуктов функционального назначения.
Информация о конфликте интересов: авторы не имеют конфликта интересов для декларации.
Conflicts of Interest: authors have no conflict of interests to declare.
Список литературы
1. Григорьев, Ф. В. Методы молекулярного моделирования супрамолекулярных комплексов: иерархический подход / Ф. В. Григорьев, А. Н. Романов, Д. Н. Лайков и др. // Российские нанотехнологии, 2010, №56. С. 47-53.
2. Зоркий, П. М., Лубнина, И. Е. Супрамолекулярная химия: возникновение, развитие, перспективы // Вестн. Моск. ун-та, 1999, №5. С. 300-307.
3. Hentze, H. P., Kaler E. W. Polymerization of and within self-organized media // Curent Opinion in Colloid and Interface Science, 2003. Vol. 8. Pр. 164-178.
4. Biologically erodable microspheres as potential oral drug delivery systems / E. Mathiowitz, J. S. Jacob, Y. S. Jong, G. P. Carino, D. E. Chickering, P. Chaturvedi, C. A. Santos, K. Vijayaraghavan, S. Montgomery, M. Bassett, C. Morrell // Nature. 1997. Vol. 386(6623). Pр. 410-414.
5. Palmitoylation of xanthan polysaccharide for self-assembly microcapsule formation and encapsulation of cells in physiological conditions / A. C. Mendes, E. T. Baran, C. Nunes // Journal of The Royal Society of Chemistry, 2011. URL: http://www.rsc.org/suppdata/sm/c1/c1sm05594a/ c1sm05594a.pdf.
6. Nanoparticle Self-Assembly of Hierarchicacally Ordered Microcapsule Structures / R. K. Rana, V. S. Murty, J. Yu // Advanced Materials. 2005. Vol. 17, Pр. 1145-1150.
References
1. Grigoriev, F. V., Romanov, A. N., Laikov, D. N. & et al., (2010), "Methods of molecular modeling of supramolecular complexes: a hierarchical approach", Rossijskie nanotekhnologii, 5-6, 47-53.
2. Zorkiy, P. M. & Lubnina, I. E. (1999), "Supramolecular chemistry: origin, development, prospects", Vestn. Mosk. un-ta, 5, 300-307.
3. Hentze, H. P. & Kaler E. W. (2003), "Polymerization of and within self-organized media", Curent Opinion in Colloid and Interface Science, 8, 164178.
4. Mathiowitz, E., Jacob, J. S., Jong, Y. S., Carino, G. P., Chickering, D. E., Chaturvedi, P., Santos, C. A., Vijayaraghavan, K., Montgomery, S., Bassett, M. & Morrell C. (1997), Biologically erodable microspheres as potential oral drug delivery systems Nature, 386(6623), 410-414.
5. Mendes, A. C., Baran, E. T. & Nunes C. (2011), "Palmitoylation of xanthan polysaccharide for self-assembly microcapsule formation and encapsulation of cells in physiological conditions", Journal of The Royal Society of Chemistry, available at: http://www.rsc.org/suppdata/sm/c1/c1sm05594a/ c1sm05594a.pdf.
6. Rana, R. K., Murty, V. S. & Yu J. (2005), "Nanoparticle Self-Assembly of Hierarchicacally Ordered Microcapsule Structures", Advanced Materials, 17, 1145-1150.
Кролевец Александр Александрович, доктор химических наук, профессор кафедры технологии продуктов питания, заведующий лабораторией «Синтез микро- и наноструктур» Региональный открытый социальный институт
Krolevets Aleksandr Aleksandrovich, Doctor of Chemical Sciences, Professor, Department of Food Technology, Head of the Laboratory «Synthesis of micro-and nanostructures» Regional Open Social Institute
Левченко Оксана Викторовна, старший преподаватель кафедры технологии продовольственных продуктов и товароведения Регионального открытого социального института
Levchenko Oksana Viktorovna, Senior Lecturer of the Department of Technology of Food Products and Commodity Research Regional Open Social Institute
Глотова Светлана Григорьевна, доцент кафедры технологии продовольственных продуктов и товароведения Региональный открытый социальный институт
Glotova Svetlana Grigoryevna, Associate Professor of the Department of Technology of Food Products and Commodity Research Regional Open Social Institute
Семичев Кирилл Михайлович, лаборант-исследователь лаборатории «Синтез микро- и наноструктур» Региональный открытый социальный институт
Semichev Kirill Mikhailovich, laboratory assistant researcher of the laboratory «Synthesis of micro- and nanostructures» Regional Open Social Institute
Дубцова Галина Николаевна, профессор кафедры биотехнологии и
технологии продуктов биоорганического синтеза
Московский государственный университет пищевых производств
Dubtsova Galina Nikolaevna, Professor of the Department of Biotechnology and Technology of Products of Bioorganic Synthesis Moscow State University of Food Production
