Исследование стабильности и усвояемости эмульсии эфира целлюлозы/соединения нанокристаллической целлюлозы

Резюме: С целью снижения всасывания организмом жиров и масел с пищей и снижения риска ожирения в данном исследовании изучались физические свойства составных эмульсий масло-в-воде, приготовленных за счет синергетического действия различных типов эфиров целлюлозы (неионогенных эфиров целлюлозы). и анионные) и нанокристаллы целлюлозы. Свойства стабильности при хранении и моделируемом желудочно-кишечном тракте. Исследования показали, что композитные эмульсии эфира целлюлозы/нанокристаллической целлюлозы обладают наилучшей стабильностью при хранении в течение как минимум одного месяца и самой низкой усвояемостью липидов по сравнению с однокомпонентными стабильными эмульсиями, что подтверждает, что материалы на основе целлюлозы могут применяться в таких областях, как пищевая промышленность и здравоохранение. .

Ключевые слова: нанокристаллы целлюлозы; эфир целлюлозы; физическая стабильность эмульсии; усвояемость липидов

Как один из трех основных компонентов питания, необходимых человеческому организму, жир тесно связан со здоровьем человека. Чрезмерное потребление жиров с пищей приведет к накоплению жира в организме, увеличению массы тела и даже вызовет ряд заболеваний сердечно-сосудистой, пищеварительной и эндокринной систем. Хотя обычные методы диеты могут достичь цели по снижению веса в определенной степени или на определенном этапе, они могут легко привести к другим рискам для здоровья, таким как недоедание, проблемы с желудком и потеря памяти. решения особенно важны. В повседневной жизни, помимо прямого смешивания, наиболее распространенным применением технологии эмульгирования является улучшение вкуса продуктов, повышение стабильности и придание продуктам уникальной функциональности. Вдохновленное этим, это исследование снижает выделение масла с пищей и скорость абсорбции человеческим организмом за счет повышения стабильности эмульсии масло-в-воде. Ожидается, что этот метод будет применяться для подавления ожирения и связанных с ним областей.

Коллоидные частицы природной биомассы уже давно привлекают внимание промышленности и научных кругов благодаря своим преимуществам в виде экологичности, обширности источников и уникальных физико-химических свойств. В отличие от традиционной амфифильной эмульсии ПАВ, эмульсия со стабильными коллоидными частицами имеет более высокую свободную энергию межфазной десорбции и не может быть легко заменена солью желчи в процессе пищеварения в желудочно-кишечном тракте. Таким образом, эмульсионная система обладает превосходной стабильностью и имеет уникальное преимущество в области диетологии и здравоохранения. Singh et al. обобщили способы регулирования переваривания и липолиза липидов пищеварительными соками желудочно-кишечного тракта путем создания пищевой эмульсии и подробно обсудили вопросы, стоящие перед этой областью, включая взаимодействие между пищеварительными ферментами, состав и структуру пищеварительного тракта. стабильный слой на границе капель молока, замещение и перемещение солей желчных кислот и конечное состояние капли молока перед абсорбцией. На этом основании в некоторых источниках сообщалось о применении стабилизирующей эмульсии коллоидных частиц наноцеллюлозы для улучшения переваривания и всасывания липидов. Делойд и др. обнаружили, что добавление наноцеллюлозы к высокому содержанию жира может снизить гидролиз триглицеридов (содержание свободных жирных кислот свободных жирных кислот было снижено примерно до 30%) и уменьшить переваривание или всасывание жира в эксперименте, имитирующем пищеварение в желудочно-кишечном тракте in vitro. Бай и др. изучали пищеварительные характеристики эмульсии нанокристаллической целлюлозы (CNC) с помощью трехэтапного статического моделирования желудочно-кишечного пептического эксперимента. Результаты показали, что по сравнению с эмульсией акации эмульсия CNC может снизить содержание свободных жирных кислот примерно до 60%.

Основываясь на идее дизайна эмульсии, стабилизированной одной коллоидной частицей, в этом исследовании изучалось синергетическое действие наночастиц CNC и различных видов полимеров эфира целлюлозы на улучшение физической стабильности при хранении их сложной эмульсии и моделирование пищеварения в желудочно-кишечном тракте, а также снижение высвобождения свободных жирных кислот. .

1. Эксперимент

1.1 Реагенты и инструменты

хлопковая фильтровальная бумага Whatman для защиты от пыли (GE Healthcare Canada); Неионогенная метилцеллюлоза (МЦ, вязкость =4000 мПа·с) и анионогенная карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ, вязкость =2000 мПа·с) (Dow Chemical Company, США); Массовая доля 99,999% серная кислота (Caledon Laboratory Chemicals, Канада), кукурузное масло, хлорид натрия, гидроксид натрия (Sigma-Aldrich, Канада).

Центрифуга сверхбыстрой заморозки (Sorvall RC-5, Dupont, США), ультразвуковая дробилка клеток (Sonifier 450, Branson Ultrasound, США), электронные аналитические весы (ME204T, Mettler Toledo Group, Швейцария).

1.2 Получение нанокристаллов целлюлозы

Как упоминалось выше, в условиях непрерывного механического перемешивания хлопковую фильтровальную бумагу без пыли Whatman (40 г) обрабатывали концентрированной серной кислотой (700 мл) с массовой долей 64% (мас.) при 45°С в течение 45 мин, затем разбавляли большим количеством ледяной воды для гашения реакции, а остаточную серную кислоту удаляли, насколько это возможно, путем многократного промывания и центрифугирования. За этим последовал диализ в деионизированной воде в течение примерно двух недель для удаления остаточной серной кислоты и разложения сахаров из системы. После диализа дисперсию CNC обрабатывали ультразвуковой дисперсией в течение 45 минут на ледяной бане с помощью измельчителя клеток и фильтровали, затем pH системы нейтрализации NaOH добавляли до нейтральной, а нейтральную водную дисперсию CNC хранили в холодильнике для последующего хранения. использовать.

1.3 Приготовление раствора эфира целлюлозы

Из-за уникальных свойств термогеля метилцеллюлозы, чтобы гарантировать полное растворение образцов, в этом исследовании применялся метод нагревания и охлаждения, рекомендованный в руководстве по продукту для приготовления водного раствора эфира целлюлозы. Во-первых, образцы порошка диспергировали в горячей воде (1/3 от общего объема) при 90 ℃ и непрерывно перемешивали механически в течение 30 минут. Снимите нагреватель, добавьте оставшиеся 2/3 объема ледяной воды и непрерывно помешивайте, пока раствор не станет прозрачным и прозрачным. Карбоксиметилцеллюлоза непосредственно растворяется в деионизированной воде под действием механического перемешивания и доводится до необходимой концентрации. Все образцы были охлаждены для дальнейшего использования.

1.4 Приготовление эмульсии на основе целлюлозы

После того, как водный раствор эфира целлюлозы и дисперсия CNC были однородно смешаны с помощью вихревого генератора, был добавлен NaCl (конечная концентрация соли 50 мМ) для защиты от электростатического отталкивания в системе. Затем была приготовлена эмульсия эфира целлюлозы/ЦНК путем смешивания кукурузного масла с объемным соотношением масло/вода 1/4 в предколебательном режиме и ультразвуковой обработки с помощью ультразвуковой дробилки клеток (6 уровней интенсивности и 50% импульса) в ледяной воде. ванночка 3 мин. Эмульсию, приготовленную только из эфира целлюлозы или CNC, использовали в качестве контрольной группы.

1.5 Определение размера нанокристаллов целлюлозы

Форма и размер ЦНК проверялись на атомно-силовом микроскопе Asylum MFP-3D (Oxford Instruments, США). Условия испытаний: гигантский спиральный рукав FMR (Nano World), разрешенная постоянная упругости 1,2~5,5 Н/м, а резонансная частота 60~90 кГц в атмосфере комнатной температуры.

1.6 Определение размера частиц эмульсии на основе целлюлозы

Лазерный анализатор размера частиц Malvem Mastersizer 2000G (оснащенный лазером с длиной волны 633 нм, Malvem Instruments, США) использовали для определения размера частиц эмульсии эфира целлюлозы/CNC.

1.7 Наблюдение за морфологией эмульсии на основе целлюлозы

Для визуализации рельефа эмульсии использовали оптический микроскоп Axiovert 100M (Zeiss, Германия). После разбавления эмульсии в 100 раз ее капали в центр предметного стекла и накрывали покровным стеклом. Следует отметить, что неправильные или овальные серые области на некоторых изображениях с оптического микроскопа могут быть каплями просачивающегося масла.

1.8 Анализ in vitro имитации переваривания эмульсии на основе целлюлозы

В соответствии со стандартизированным статическим методом, описанным Brodkorb et al., эксперимент по моделированию желудочно-кишечного пищеварения человека in vitro состоял из следующих трех этапов: 1) моделирование перорального пищеварения. Образцы свежей эмульсии смешивали с раствором электролита имитации слюны (SSF) в конечном соотношении 1:1, затем добавляли 75 ед/мл A-амилазы слюны IX-A и, наконец, добавляли 0,75 мМ CaCl2. Раствор электролита SSF состоит из 15,1 мМ KCl, 3,7 мМ KH2PO+, 13,6 мМ NaHCO3, 0,15 мМ MgCl2(H2O), 0,06 мМ (NH4)2CO3. Температура моделируемого разложения составляла 37°С, рН=7,0, а время составляло 2 мин. 2) Моделирование пищеварения в желудочной фазе. Образец перорально расщепленной эмульсии сначала смешивали с раствором электролита искусственного желудочного сока (SGF) в конечном соотношении 1:1, затем добавляли 2000 ед/мл пепсина (P7125) и, наконец, добавляли 0,075 мМ CaCl2. Электролитный раствор SGF состоит из 6,9 мМ KC1, 0,9 мМ KH2PO4, 25 мМ NaHCO3, 47,2 мМ NaCl, 0,1 мМ MgCl(H2O)6, 0,5 мМ (NH4)2CO3. Смоделированная температура разложения составляла 37°C, pH=3,0, а время составляло 2 часа. 3) Имитация кишечного пищеварения. Вышеупомянутый желудочный химус сначала смешивали с раствором электролитов искусственного кишечного сока (SIF) в конечном соотношении 1:1. мл липазы (L3126, тип II) и, наконец, добавьте 0,3 мМ раствор электролита CaC12e SIF, состоящий из следующих компонентов: 6,8 мМ KCl, 0,8 мМ KH2PO4, 85 мМ NaHCO3, 38,4 мМ NaCl, 0,33 мМ MgCl2(H2O)6. Смоделированная температура разложения составляла 37 ℃, pH = 7,0, а время составляло 2 часа. Содержание высвобожденных свободных жирных кислот (СЖК) измеряли с использованием метода автоматического титрования pH-stat (Metrohm 916 Ti-Touch, Швейцария) для количественной оценки степени липолиза кукурузного масла в эмульсии и, таким образом, характеристики стабильности эмульсии.

2. Результаты и обсуждение

2.1 Морфология и размер нанокристаллов целлюлозы

Согласно морфологии и размеру пленки CNC, длина одной наночастицы CNC составляет около 200 нм, а диаметр - около 10 нм. Распределение наночастиц по размерам является однородным, а стержнеобразная морфология наночастиц имеет «утолщение посередине», что похоже на структуру гранул риса.

2.2 Стабильность внешнего вида эмульсии на основе целлюлозы

В соответствии с кажущейся стабильностью различных эмульсий на основе целлюлозы (проблемы маслянистости или расслаивания), в дополнение к КМЦ, только КНК или МС могут быть использованы для приготовления эмульсии масло-в-воде, и эмульсия не имеет явления маслянистости. . Однако из-за разницы в плотности двух фаз воды и масла, низкой вязкости системы и большего размера частиц эмульсии явление расслоения одной эмульсии наночастиц CNC было серьезным после 30 дней хранения. при комнатной температуре, и его внешний вид немного уступал внешнему виду эмульсии МС. Благодаря синергетическому эффекту между компонентами композитная эмульсия эфира целлюлозы/CNC обычно обладает высокой стабильностью. Однако, в отличие от производных целлюлозы, таких как MC, CMC не обладает эмульгирующими свойствами, взаимодействие между CMC и CNC ослабляет стабильность эмульсионной системы, и расслоение эмульсии все еще очевидно.

2.3 Размер частиц эмульсии на основе целлюлозы

Согласно размеру частиц 30-дневной стабильности при хранении эмульсии на основе целлюлозы, стабильность композитной эмульсии целлюлозоэфир/ЦНК является превосходной, хотя и проявляется некоторое явление расслоения, но размер частиц эмульсии в основном остается неизменным с увеличением времени хранения. Точно так же размер частиц одной эмульсии CNC существенно не изменился с увеличением времени хранения, но явление расслоения было серьезным. Это связано с необратимой адсорбцией наночастиц УНЦ на границе вода-масло, то есть под действием внешнего мощного ультразвукового диспергирования, когда наночастицы УНЦ, используемые для стабилизации границы раздела вода-нефть, адсорбируются на границе раздела вода-масло, будет сложно оторваться от интерфейса. МС может стабилизировать эмульсию масло-в-воде в одиночку. Однако из-за низкой энергии межфазной диссоциации эмульсии, стабилизированной полимером, полимер, адсорбированный на границе раздела, будет постепенно отрываться от границы раздела и возвращаться в водную фазу с увеличением времени и, наконец, достигнет динамического равновесия обратимой адсорбции. Следовательно, размер частиц стабилизированной эмульсии амфибийного полимера МС будет увеличиваться, а ее стабильность снижаться при длительном хранении.

2.4 Эмульсия, имитирующая переваривание содержания свободных жирных кислот in vitro

Влияние эксперимента по моделированию расщепления in vitro на стабильность эмульсии оценивали путем обнаружения изменения содержания свободных жирных кислот в зависимости от времени переваривания. Как описано DeLoid et al., триглицериды (MAG), основной компонент пищевых масел, подвергаются липополизу панкреатической липазой во время пищеварения в тонком кишечнике с образованием свободных низкомолекулярных кислот. В соответствии с кривой расщепления, смоделированной in vitro, эмульсии на основе целлюлозы, эмульсия эфира целлюлозы/CNC сохраняла хорошую общую стабильность после трех экспериментов с имитацией перорального, желудочного и кишечного переваривания, потребляла наименьший объем NaOH, высвобождала наименьшее содержание FFA, а именно самую низкую степень липолиз триглицеридов. Результаты показали, что композитная оболочка эфира целлюлозы (MC или CMC)/CNC может хорошо стабилизировать поверхность раздела масло-вода и играть изолированную роль в переваривании и липолизе панкреатина и липазы в смоделированной кишечной жидкости. Однако эмульсия, стабилизированная только MC или CNC, показала более высокое высвобождение СЖК, что указывает на то, что стабильность этих эмульсий была плохой после эксперимента, моделирующего физиологическое пищеварение. Пищеварительные ферменты могли проникать через оболочку стабилизатора в масляную фазу эмульсии и вступать в реакцию липолиза с кукурузным маслом. Поскольку одна КМЦ не может стабилизировать эмульсию масло-в-воде, один образец КМЦ не будет указан в этом эксперименте по расщеплению.

2.5 Изображение, полученное в оптическом микроскопе при имитации пищеварения in vitro в эмульсии

Как видно из изображений с оптическим микроскопом, имитирующих пищеварение in vitro, эмульсии на основе целлюлозы, эфира целлюлозы VCNC, только MC или эмульсии, стабилизированной CNC, могут сохранять хорошую целостность капель молока (морфологию и размер) после экспериментов, имитирующих пероральный и желудочный пищеварительный тракт. Анионный эфир целлюлозы КМЦ не может стабилизировать эмульсию масло-в-воде сам по себе, потому что он не может уменьшить поверхностное натяжение системы. Здесь это обсуждаться не будет. Разрыв или деградация эмульсии в основном происходили в пищеварительном тракте моделируемой тонкой кишки. После обработки всей моделируемой пищеварительной системы (имитация слюны и имитация желудочного сока и имитация кишечного сока, SSF&SGF&SIF) композитная эмульсия эфира целлюлозы/CNC показала наилучшую стабильность эмульсии, то есть самое низкое содержание свободных жирных кислот и наименьший изменение размера капель молока. Однако после имитационного пищеварения SSF&SGF&SIP содержание свободных жирных кислот было самым высоким, размер капель молока значительно увеличился, а на изображениях оптического микроскопа появились неправильные или овальные серые области, которые могут быть вытекшими каплями масла. После имитационного расщепления SSF, SGF и SIF содержание свободных жирных кислот в одной стабилизированной эмульсии CNC было немного ниже, чем в эмульсии эфира целлюлозы, но на изображениях оптического микроскопа все еще появлялись неравномерные серые области, что указывает на то, что эмульсия также была повреждена в значительной степени. .

3. Заключение

1) По сравнению с эмульсией М/В, стабилизированной одним эфиром целлюлозы или CNC, синергетический эффект между эфиром целлюлозы и CNC улучшил физическую стабильность композитной эмульсии. После 30 дней хранения при комнатной температуре эмульсия эфира целлюлозы/CNC не имела явного изменения размера частиц или проблем с экстракцией масла, а расслоение улучшилось.

2) Эмульсия CNC, модифицированная эфиром целлюлозы, показала лучшую устойчивость к искусственной слюне, желудочному соку и кишечному соку в эксперименте по моделированию пищеварения в желудочно-кишечном тракте и имела самое низкое содержание свободных жирных кислот при лиолизе, что выявило потенциальную прикладную ценность этого типа комплексной эмульсии. в здоровом питании и снижает риск ожирения.

3) Эффект повышения стабильности неионогенного эфира целлюлозы MC на композитной эмульсии был больше, чем у анионогенного эфира целлюлозы CMC.