Инновационные перспективы создания биологически активных комплексов на основе полисахаридной матрицы

Многолетние исследования полисахаридов высших растений, проводимые в нашей стране и за рубежом, свидетельствуют о возможности их широкого применения в производстве специализированных продуктов, в т. ч. и БАД [2, 3]. Это связано с функциональными свойствами представителей галактансодержащих полисахаридов – иммуномодулирующими, активирующими ретикулоэндотелиальную систему (РЭС) с увеличением фагоцитарного индекса. Их биологическая активность зависит от особенностей структуры и конформации макромолекул, механизма образования агрегатов. Немаловажное значение имеет локализация полисахарида в растительной клетке [1].

Цель работы – биополимерной матрицы на основе сукцината хитозана, арабиногалактана и изучение их функциональных свойств.

Материалы и методы

Для выявления фазовых и структурных превращений применяли рентгенофазовый (РФА) и термический анализ – дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК). Для получения микрофотографий исследуемых образцов использовали метод сканирующий электронной микроскопии.

Концентрацию исследуемых веществ в водных растворах определяли методом ВЭЖХ на хроматографах Agilent 1200 и Милихром А-02.

Для идентификации опытного образца АГ на спектрометре записаны ИК-спектры.

Исследование комплексообразования в растворах проводилось путем измерения увеличения растворимости БАВ, а также методом измерения времен релаксации1 Н ЯМР в водных и водноспиртовых растворах.

Молекулярно-массовое распределение (ММР) образцов исследовали методом гель-проникающей хроматографии (ГПХ).

Результаты и обсуждение

Разработана биологически активная добавка добавка – арабиногалактан (АГ), выделенный из лиственницы. Новизна и оригинальность препарата подтверждены выдачей патента [7].

Показано [3–6], что АГ из западной лиственницы может служить целенаправленным носителем для доставки диагностических и терапевтических агентов, а также ферментов, нуклеиновых кислот, витаминов или гормонов, к определенным клеткам, в частности, гепатоцитам – паренхимным клеткам печени. В модельных экспериментах АГ из лиственницы показал высокую мембранотропность [7]. Благодаря этому его можно использовать для повышения

Арабиногалактан является перспективным синтоном, способным вступать в реакции с моно-и бифункциональными реагентами. Это открывает путь к получению новых промышленно доступных водорастворимых препаратов. Их свойства будут определяться как свойствами самого полисахарида, так и введенных функциональных групп. Продукты химического модифицирования АГ представляют значительный интерес для различных отраслей промышленности. Имеются данные о том, что химическое модифицирование АГ вызывает заметное падение или исчезновение биоактивности полимеров [16, 17]. Таким образом, работы по модификации арабиногалактанов показывают перспективность этого направления.

Проведены исследования по соединению полисахаридов арабиногалактана с полисахаридами хитозана.

Особенность строения макромолекул АГ может способствовать образованию прочных межмолекулярных комплексов действующих веществ, молекулы которых могут связываться межмолекулярными водородными связями в пространстве, образованном боковыми цепями. Учитывая конформационную подвижность макромолекул АГ, размеры этого пространства могут варьироваться, способствуя образованию су-прамолекулярных комплексов с широким кругом веществ [5].

Хитозан хороший гелеобразователь и эмульгатор. Доказана его способность образовывать комплексные соединения с протеинами и липидами. Наличие гидроксильных групп высокой электронной плотности с неподеленными электронными парами вдоль молекулы приводит к образованию водородных связей с другими биополимерными соединениями, в первую очередь формируются прочные комплексы с липидами и белками, в которых хитозан выполняет роль ядра [6].

Благодаря позитивно заряженным молекулам и свойствам сорбента хитозан крепко связывается с негативно заряженными молекулами, расположенными на мембранах микробов (тейхоевые кислоты, фосфорнокислые и карбоксильные группы). Фиксация мембран парализует их работу, особенно транспорт ионов, полезных веществ, что ведет к усилению чувствительности возбудителей заболеваний к различным антибактериальным веществам. Полезные и важные особенности хитозана заключаются также в том, что он соединяется с любой живой тканью, обладает мукоадгезивными свойствами, разлагается и открывает плотные сочленения между клетками. С помощью использования этих свойств доставка лекарственного средства через слизистую мембрану может быть существенно улучшена [18].

Протонированный хитозан в организме распадается при помощи лизоцима, превращаясь в глюкозамин и сопряженное основание кислоты – сукцинат. Сукцинат хитозана представляет собой соль деацетилированного хитина и янтарной кислоты. Сукцинат хитозана гипоаллергенен, биосовместим, биоразлагаем. Благодаря деацетилированию хитозан приобретает два важных свойства, обуславливающих особенности и сферу его использования.

Сукцинат хитозана хорошо растворим в воде, его деацитилированные и замещенные группы при значениях рН<7 приобретают положительный заряд, т. е. хитозановый гель представляет собой поликатион, который связывается с отрицательно заряженными молекулами.

Производство биополимерной матрицы основано на механохимической активации двух полисахаридов: растительного (арабиногалактан) и хитинового (сукцинат хитозана).

Метод механохимической активации позволяет проводить измельчение твердых тел до молекулярного уровня. В результате измельченные частички образуют агрегаты, а при продолжении механической активации происходит смешивание твердых веществ на молекулярном уровне. В зависимости от природы веществ происходят химические реакции с образованием твердой фазы, в которой молекулы вступают в различного рода взаимодействия. При тепловом воздействии или гидратации происходит химическая реакция с образованием целевых продуктов.

Процесс получения полисахаридной матрицы осуществляется в два этапа.

На первом получен сукцинат хитозана – деацетилированием хитина, имеющего степень деацетилирования больше или равную 75% и молекулярную массу в диапазоне от 1 до 30 кДа, механохимическим способом его сшивали янтарным ангидридом. В результате механической активации происходит количественное ацилирование всех аминогрупп хитозана, что подтверждается кондуктометрическим титрованием. Следует отметить, что сам принцип проведения реакции в твердофазовом состоянии не требует растворения ангидридов дикарбоновых кислот в органическом растворителе.

На втором этапе для модификации арабиногалактана, полученный механическим способом сукцинат хитозана соединяли на молекулярном уровне с арабиногалактаном. Механохимическую обработку исходных компонентов проводили в ротационной (валковой) мельницей ВМ-1 с барабаном, имеющим фторопластовую футеровку. Полученный мелкодисперсный порошок растворяли в воде, нейтрализацию смеси проводили водным щелочным раствором и сушили методом распылительной или вакуумной сушки [7].

Полимерная матрица приобретает пластичную структуру частиц хитозана, отличающуюся тем, что имеет вид поперечно сшитого сетчатого полимера с множеством сферических полостей, имеющих размер не менее 1,0 нм и не более 5000,0 нм.

Предлагаемый состав биополимерной матрицы включает сукцинат хитозана, янтарный ангидрид и арабиногалактан, содержащий ковалентно не связанный с ним дигидрокверцетин.

Комплексообразующая способность су-прамолекулярной композиции, состоящей из сукцината хитозана, янтарно ангидрида и арабиногалактана, изучена методом оптической спектроскопии с целью оценки степени увеличения растворимости гидрофобных лекарственных соединений в воде.

Для исследования взяты два соединения, карведилол и зеаксантин, обладающие низкой растворимостью в воде.

Зеаксантин – один из распространенных антиоксидантов и пигментов каротиноидной группы. Является одним из двух каротиноидов, которые содержатся в сетчатке глаза (зона макулы). Как антиоксидант, он способен нейтрализовать свободные радикалы, которые окисляют и повреждают сетчатку. Эти свойства заексантина предотвращают развитие катаракты, служат профилактикой возрастной макулярной дегенерации. Одним из основных ограничений применения зеаксантина в фармакологии и пищевой промышленности является его незначительная растворимость в воде.

Обнаружено, что комплексообразование более чем в 1000 раз повышает растворимость зеаксантина в воде. Измеренная нами концентрация комплекса зеаксантин – БПМ 1:10 составила 40 микромолей или 22 мг/л. Установленная величина повышения растворимости (1000 раз) является нижней оценкой, поскольку его

Shelepov V.G. et al. Proceedings of VSUET, 2023, vol. 85, no. собственная растворимость ниже предела чувствительности прибора.

Карведилол – антиангинальное, антиоксидантное, гипотензивное, вазодилатирующее лекарственное средство. Слабо растворим в воде. Биодоступность около 25%.

Обнаружено, что комплексообразование с полимерной матрицей повышает растворимость карведилола в воде в 40 раз. Измеренная концентрация комплекса карведилол-БПМ 1:10 составила 50 микромолей или 20 мг/л. Абсолютное значение растворимости рассчитано из измеренного коэффициента экстинкции карведиола при длине волны 332 нм равного 4760 л моль-1 см-1.

Показана эффективность использования АГ для улучшения технологических и функциональных свойств мяса цыплят-бройлеров с признаками PSE путем включения пищевой добавки в рецептуру колбасных изделий в количестве 0,5% от основного сырья. Установлено повышение влагосвязывающей способности фарша на 5%, потери при тепловой обработке снизились на 6%.

Улучшились консистенция и цвет колбас с повышением балльной оценки на 4%. Установлено снижение пероксидного и кислотного чисел при хранении, что свидетельствует об ингибировании процессов окисления и предотвращении порчи продукта.

Заключение

Проведенные исследования послужили еще одним доказательством, что полисахаридная матрица обладает высокой биологической активностью как самостоятельно, так и в комплексе с другими веществами. Разработанная биологически активная биополимерная матрица, включающая, мас. %: сукцинат хитозана 3,0–5,0; янтарный ангидрид 2,0–4,0; арабиногалактан 15,0–20,0 и дигирокверцетин 3–5 может служить носителем для широкого спектра биологически активных веществ (витаминов, минералов, аминокислот) и иметь достаточную область применения в пищевой и перерабатывающей промышленности.