Биоактивность эмульсий Пикеринга в пищевой матрице: теория и практика

Рынок пищевых продуктов, пригодных для профилактики рисков возникновения тех или иных заболеваний, в настоящее время активно развивается, производители все чаще дополняют ассортиментную линейку продуктов для «здорового питания». Среди такого рода предложений заметно увеличилась доля продуктов, обогащенных биологически активными и функциональными компонентами. Вместе с тем, используемые для фортификации пищевые ингредиенты в большинстве своем плохо встраиваются в пищевую матрицу продукта (ПМП), что снижает ожидаемые эффекты их биодоступности и препятствует встраиванию активных компонентов в процессы метаболизма.

В качестве перспективного инструмента для достижения поставленных целей с высокой степенью эффективности могут быть применены эмульсии Пикеринга (ЭП). В этом контексте наблюдается огромный рост интереса исследователей всего мира к эмульсиям, полученным по технологиям Пикеринга, представляющим собой систему, стабилизированную твердыми частицами [20, 23]. Впервые они были описаны в 1907 году С. Пикерингом и В. Рамсденом, обнаружившими стабилизирующий эффект твердых частиц на границе раздела фаз в эмульсиях [16, 17].

Кроме того, эмульсии Пикеринга по сравнению с обычными пищевыми эмульсиями имеют ряд доказанных преимуществ [7, 25]:

• -    могут оставаться стабильными на протяжении длительного времени при изменении рН среды, действия ионных сил, вариации температур и состава масляной фазы системы;

• -    требуют меньшего количества стабилизаторов, а поверхностно-активные вещества могут быть заменены на частицы природного происхождения, что делает возможным применение их в пищевой промышленности;

• -    обладают хорошей биосовместимостью с пищевой матрицей продукта, могут использоваться в качестве носителей для доставки биологически активных веществ в соответствующие системы организма человека.

Однако потенциальное применение ЭП в технологии пищевых производств стало рассматриваться сравнительно недавно [9, 10, 11, 13, 19]. Рассматривая возможности применения ЭП как эффективного средства доставки биоактивных компонентов, прежде всего следует учитывать наиболее значимые свойства самих обогащающих компонентов (фортифи-катов): химическую нестабильность, переменную растворимость, что безусловно взаимосвязано с их биодоступностью и эффективностью действующего начала.

Следовательно, разработка и применение ЭП для доставки биоактивных соединений в составе ПМП должны базироваться на комплексном решении сохранения биоактивности при ведении процесса фортификации. Немаловажно оценивать влияние технологических операций, осуществляемых при производстве продуктов для «здорового питания», сопровождаемых механическими и физикохимическими воздействиями. На основании чего для практической реализации научно разработанных процессов фортификации ЭП нагруженных биоактивными композициями веществ в пищевую матрицу продукта в качестве основной цели исследования определен дуальный подход от теории к практике.

Для достижения поставленной цели на первом этапе исследований определены следующие задачи:

• –    изучить свойства фортификатов, определяющие их пригодность для получения биоактивных эмульсий Пикеринга;

• –    исследовать влияние фортификатов в качестве стабилизирующих частиц для эмульсий Пикеринга.

Свойства биоактивных фортификатов пищевых эмульсий Пикеринга. Теоретические аспекты

Механизм стабилизации эмульсий Пикеринга твердыми частицами, которые физически стабилизируют границу раздела масло-вода, отличается от действия поверхностноактивных веществ в обычных эмульсиях [18]. Существует множество факторов, обусловливающих стабильность свойств эмульсий Пикеринга, в совокупности которых выделены наиболее значимые: амфифильность, концентрация, размер и форма загружаемых в эмульсионную систему частиц.

Твердые частицы должны в ЭП прежде всего создавать физический барьер, препятствующий слиянию капель [24], что достижимо за счет применения в качестве стабилизаторов амфифильных частиц Януса, способных значительно улучшать межфазную стабильность в эмульсии. Иначе говоря, вносимые в ЭП частицы должны обладать двойной смачиваемостью , т. е. иметь гидрофильное и гидрофобное полушария [15]. Такая частица будет располагаться на границе раздела масло-вода в зависимости от ее относительного сродства к обеим фазам, которое можно охарактеризовать краевым углом θ (более или менее 90°) [3]. Следовательно, частицы будут заставлять границу раздела прогибаться в сторону той фазы, к которой их сродство ниже, т. е. частицы, преимущественно смачиваемые водой (гидрофильные), будут пригодны для образования эмульсий масло-в-воде, тогда как частицы, преимущественно смачиваемые маслом (липофильные), будут пригодны для образования эмульсий вода-в-масле (рис. 1).

Особенностью стабилизации по Пикерингу является высокая энергия, необходимая для удаления частицы, адсорбированной на границе раздела, которая зависит от размера частицы и краевого угла [3]:

G = πr2γ(1–|cos θ|)2, (1) где G – свободная энергия десорбции; r – радиус твердой частицы Пикеринга; γ – поверхностное натяжение между фракциями; θ – краевой угол.

Эмульсия Пикеринга типа

Эмульсия Пикеринга типа масло-в-воде вода-в-масле

Рис. 1. Механизм образования эмульсии Пикеринга в зависимости от положения твердой частицы на границе раздела фаз при краевом угле (θ) более или менее 90°

Из уравнения (1) следует, что наиболее важным фактором, влияющим на энергию десорбции, а соответственно, стабильность эмульсии Пикеринга, является размер частиц . С увеличением размера частиц энергия связи увеличивается [12]. При этом размер частиц Пикеринга должен быть как минимум в 10 раз меньше размера капель фракций эмульсии, чтобы адсорбироваться на границе раздела [4]. Частицы малых размеров могут образовывать более мелкие капли с большей стабильностью по сравнению с крупными частицами [8], а также предотвращать коалесценцию капель фракции из-за низкой диффузионной способности, что приводит к медленной кинетике адсорбции более крупных [6]. Устойчивость эмульсий к осаждению и расслоению также снижалась с увеличением диаметра частиц [5]. Поэтому процессы наноэмульгирования вызывают значительный интерес по сравнению с процессами микроэмульгирования.

Помимо размера частиц важным факто- ром для стабильности эмульсий Пикеринга является конфигурация частиц, которая может быть сферической, волокнистой, многоугольной, эллипсоидной и стержнеобразной [24]. Форма частиц описывается соотношением их сторон, которое представляет собой отношение наибольшего диаметра к наименьшему диаметру, ортогональному ему. Более полное покрытие поверхности капель фракции препятствует коалесценции их при столкновении, т. е. частицы с большей поверхностью соприкосновения подходят для стабилизации эмульсий Пикеринга [21].

Величина поверхностного заряда важна для определения стабильности коллоидной дисперсии, которую можно проанализировать путем измерения дзета-потенциала (Zp) суспензии частиц. Как правило, когда суспензия имеет значение Zp > ±30 мВ, взаимодействие между частицами происходит путем электростатического отталкивания из-за высокого поверхностного заряда, следовательно, агломерация частиц может быть подавлена. С дру- гой стороны, дисперсии с диапазоном -30 мВ < Zp < 30 мВ относятся к области с низким поверхностным зарядом, где сила притяжения Ван-дер-Ваальса доминирует в подвесной системе и, таким образом, приводит к небольшой степени агрегации дисперсных частиц. Для образования эмульсии Пикеринга поверхностный заряд играет важную роль не только для коллоидных свойств твердых частиц, но и для адсорбции твердых частиц на границе раздела фаз. Когда твердые частицы обладают высоким значением Zp, частицы имеют тенденцию отталкиваться друг от друга, а не прочно адсорбироваться на границах раздела масло/вода. Уменьшение Zp до низкозаряженной области вызывает агрегацию твердых частиц, что дополнительно укрепляет сетку частиц в непрерывной фазе и улучшает стабилизацию эмульсии [14].

Минимальная концентрация частиц, необходимая для стабилизации эмульсии Пикеринга, должна быть прямо пропорциональна среднему диаметру частиц [12, 22]. При постоянной концентрации более мелкие частицы имеют более высокую поверхность соприкосновения, чем крупные частицы. При ограниченной концентрации частиц более мелкие частицы могут стабилизировать больший объем эмульсий по сравнению с более крупными частицами.

Влияние биоактивных растительных частиц на стабильность эмульсий Пикеринга. Результаты исследований и их обсуждение. Для исследования влияния стабилизирующих частиц на получение эмульсий Пикеринга были определены следующие свойства частиц, загружаемых в эмульсионную систему: амфифильность, концентрация, размер и форма.

В качестве стабилизирующих частиц (СЧ) использовали полисахариды бурых водорослей (фукоидан и альгинат натрия) и льняную целлюлозу. Характеристика свойств стабилизирующих частиц на основании теоретических данных представлена в таблице.

С целью регулирования размера частиц и

Характеристика свойств стабилизирующих частиц (по данным открытых источников информации и собственных исследований)

Наименование образца СЧ Физические свойства Биоактивные свойства Амфифильность Размер частиц Форма частиц Фукоидан В чистом виде водорастворим, но в присутствии полифенолов гидрофильность частично утрачивается 100-1000 кДа 32,14 мкм - 77,1 %; 103,90 мкм - 22,9 % иррациональная Способен проявлять имунномоду-лирующую, противоопухолевую, антиоксидантную, антивирусную и антимикробную активность Альгинат натрия Способность адсорбции воды и формировать коллоидные суспензии в среднем 2700 кДа 5,65 мкм -100 % ^^^■^^иь/ V иррациональная Способен проявлять антитоксические, антирадиа-ционные, антиоксидантные, иммуномодулирующие и антимикробные свойства Целлюлоза льняная Не растворима в воде 700-2000 кДа более 100 мкм X > г>»^ ЭД волокнистая Обладает сорбционными свойствами в отношении радионуклидов и тяжелых металлов формы использовали нетермические кавитационные эффекты низкочастотного ультразвука при следующих параметрах воздействия: для фукоидана – 630 Вт/л, в течение 30 мин; для альгината натрия и льняной целлюлозы – 630 Вт/л; в течение 18 мин.

В исследованиях использовали: для оценки дисперсного состава метод динамического рассеяния света на лазерном анализаторе размера частиц серии Nanotrac Ultra и Microtrac S3500 (Microtrac Inc., США); для визуального восприятия морфологических характеристик при разных увеличениях применяли метод сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) высокого разрешения (растровый электронный микроскоп Jeol JSM-7001F, Япония).

В ходе ультразвукового воздействия дисперсный состав частиц и их конфигурация значительно изменяется, происходит процесс деполимерации, и как следствие переход в смесь мономеров. Разрушение (фрагментация) макромолекул ускоряется при воздействии кавитационных эффектов.

Результаты исследований доказывают (рис. 2), что показатель дисперсии частиц, близкий к диапазону 200–500 нм, дает основание определить, например, льняную целлюлозу как идеального кандидата на роль стабилизаторов эмульсий Пикеринга [2, 26]. При этом конфигурация капель находится в зависимости от пространственного состояния частиц стабилизаторов.

Биоактивные полисахариды бурых водорослей – фукоидан и альгинат натрия, обладая гидрофильными свойствами, проникают в водную фазу, создавая стерический барьер, который предотвращает близкое сближение капель друг с другом. Кроме того, может также иметь место электростатическое отталкивание между каплями, покрытыми полисахаридом, в результате заряженных групп в полисахаридных цепях. Однако достаточно большой и неравномерный размер частиц полисахаридов в дисперсии может являться ограничительным фактором для создания стабильных эмульсионных систем. Для минимизации вышеуказанных барьерных проблем применяются разного рода воздействия, в том числе сонохимическая деполимеризация (рис. 3).

Микроструктурированные полисахариды бурых водорослей – фукоидан и альгинат натрия представляют собой частицы иррациональной формы с гладкой структурой поверхности, которые адсорбированы на границе раздела масло-вода (рис. 4).

Таким образом, частицы, полученные на основе растительных полисахаридов, имеют высокий исследовательский интерес благодаря присущим им биохимическим свойствам, которые позволяют получить конструкцию эмульсии Пикеринга (КЭП), улучшить стабильность и доставку биоактивных веществ. Различные типы конструкции ЭП (эмульсии

Рис. 2. Эмульсии Пикеринга, стабилизированные льняной целлюлозой при разных режимах УЗВ получения дисперсии стабилизатора

Рис. 3. Дисперсный состав и микроструктура полисахаридов бурых водорослей до и после сонохимической деполимеризации:

а) фукоидан; б) альгинат натрия [1]

а                           б

Рис. 4. Эмульсии Пикеринга, нагруженные полисахаридами бурых водорослей: а) фукоидан (600–700 нм); б) альгинат натрия (2–5 мкм)

М/В или В/М, двойные эмульсии М/В/М или В/М/В, эмульгель, эмульсия с высокой внутренней фазой и микрокапсулы) являются универсальным транспортом для инкапсуляция липофильных и гидрофильных БАФ.

Будущие исследования будут сосредоточены на выяснении механизма высвобожде- ния биоактивных веществ и оценке совместимости с реальными пищевыми системами, а также эффективности и безопасности. Разработка КЭП в нежидком состоянии также должна быть в центре внимания, что обеспечит минимизацию разрыва в цепочке теория > исследования > рынок.