ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ЙОДКОМПОЗИТОВ

Иванов С.П.¹, Конкина И.Г.², Ахмадеева Р.А.³, Байматов В.Н.⁴, Козлов В.Н.⁵

¹Кандидат химически наук, Институт органической химии Уфимского научного центра РАН; ²кандидат химически наук, Институт органической химии Уфимского научного центра РАН; ³научный сотрудник, филиал Московского государственного университета технологий и управления имени К.Г. Разумовского в г. Мелеуз; ⁴доктор ветеринарных наук, профессор, Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К. И. Скрябина; ⁵доктор биологических наук, профессор, филиал Московского государственного университета технологий и управления имени К.Г. Разумовского в г. Мелеуз

ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ЙОДКОМПОЗИТОВ

Аннотация

Исследованы процессы взаимодействия йодид-ионов с полисахаридами методом ЯМР-спектроскопии, оценена нанодисперсность йодбиоорганических соединений методом лазерного наноструктурного анализа.

Ключевые слова: йодполимеры, наноструктурный анализ, пищевые технологии, спектроскопия.

Ivanov S.P.¹, Konkina I.G.², Akhmadeeva R.A.³, Baimatov V.N.⁴, Kozlov V.N.⁵

¹Candidate of Chemical Sciences, Senior Researcher, Institute of Organic Chemistry Ufa Scientific Centre of RAS; ²Candidate of Chemical Sciences, Senior Researcher, Institute of Organic Chemistry Ufa Scientific Centre of RAS; ³Research Scietist, Federal State Budget Educational Institution of Higher Proffesional Education «Razumovsky Moscow State University of Technologies and Management», Meleuz; ⁴Doctor of Veterinary Sciences, Professor,  Moscow state academy of veterinary medicine and biotechnology named K.I. Skryabin; ⁵Doctor of biology Sciences, Professor, Federal State Budget Educational Institution of  Higher Proffesional Education «Razumovsky Moscow State University of Technologies and Management», Meleuz.

SYNTHESIS TECHNOLOGY NANOSTRUCTURED IODINE COMPOSITES

Abstract

The processes of interaction of iodide ions to polysaccharides by NMR spectroscopy, estimated nanodispersnymi yodbioorganicheskih compounds by laser nanostructure analysis.

Keywords: iodine biopolymers, nanostructural analysis, food technology, NMR specroscopy.

Введение. Наличие устойчивого дефицита йода в питании остается общепризнанным научным фактором. В этой связи приобретают актуальность проблемы по созданию эффективных способов и схем по восполнению недостатка рассматриваемого биомикроэлемента. Есть основания полагать, что не все виды матриц (белки, полисахариды) используемых для стабилизации йода совместимы с технологиями производств пищевых продуктов. С точки зрения химии белков следует считать нецелесообразным использование йодсодержащих белковых субстанций для обогащения молочных продуктов в силу плохой растворимости белков в жидких средах. Так, известно, что большинство белков растворимы в 8-10 % растворах солей [1]. Кроме того, на растворимость белков большое влияние оказывает рН среды, поэтому в белковой химии применяют белковые, цитратные, боратные буферные смеси со значениями рН от кислых до слабощелочных, которые способствуют эффективному растворению белков. Такие физико-химические характеристики белков, как высокая вязкость растворов, незначительная диффузия, способность к набуханию в больших пределах усложняют технологии введения белковых субстанций в объемы жидких продуктов.

Альтернативой белковым матрицам могут служить полисахариды, разнообразие которых определяется как происхождением, так и молекулярным строением. Органические матрицы, используемые для «встраивания» летучих неорганических соединений йода, должны обеспечивать стабилизацию йода, обладать хорошей растворимостью, т.е. характеризоваться гидрофильностью, эффективно диспергировать в жидких средах, быть устойчивыми к седиментации и обеспечивать пролонгированное высвобождение ионов йода из состава матриц. Одна из самых острых проблем современных пищевых технологий – плохая растворимость биологически активных субстанций, применяемых в производстве продуктов функционального питания. Так, известны способы получения йодсодержащих биологически активных добавок (БАД), где в качестве органической составляющей используется пектин, представляющий собой полисахарид растительного генеза (патент РФ № 2265377). Однако ряд физико-химических свойств пектинов, в частности плохая растворимость при температуре менее 85 ⁰С и в средах с высоким содержанием ионов кальция (>80 мг/кг Са²⁺), снижает эффективность диспергирования йодсодержащего органоминерального комплекса в цельномолочной продукции.

Использование наноструктурированных препаратов позволяет существенным образом повысить селективность действующего начала за счет пролонгации физиологических эффектов [2]. Медицинские препараты на основе наночастиц вытесняют в некоторых областях традиционные лекарственные формы. Основные сферы их применения – онкология и производство вакцин. В других направлениях, в том числе в пищевой индустрии, успехи менее впечатляющие.

Целью настоящего исследования являлась оценка механизмов комплексообразования анионов йода с органическими матрицами и оценка наноразмерности йодбиоорганических комплексов.

Материалы и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраны следующие виды биологически активных добавок: йодхитозан (ТУ № 9289-001-82045908-10), содержащий хитозан пищевой низкомолекулярный, НМ-В-геллановую камедь, йодид калия и йод кристаллический; йодказеин (ТУ № 9229-001-79899185-07) на основе молочного белка (казеин) и йода; фитойод (ТУ № 9199-001-48859312-06) на основе пектина цитрусового, йодида калия и йода кристаллического; а также йодсодержащий комплекс на основе бета-циклодекстрина («Cavamax W7», Германия) и инулина пищевого, изготовленного по ТУ № 9187-002-97357430-09.

Определение структуры йодбиоорганических соединений проводили методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса с помощью высокопольного цифрового ЯМР-спектрометра частотой от 500,13 МГц (¹Н) и 125,47 МГц (¹³С) фирмы «Bruker BioSpin» с использованием 5 мм датчика с Z-градиентом PABBO при постоянной температуре образца 298 К. Химические сдвиги в спектрах ЯМР ¹³С, ¹Н приведены в м.д. относительно сигнала внутреннего стандарта (ТМС). Спектры ЯМР ¹³С с подавлением по протонам были зарегистрированы при следующих условиях: спектральное окно – 29,8 кГц, количество точек – 64 К, длительность возбуждающего импульса (30⁰) – 3,2 мкс, релаксационная задержка – 2 с, количество прохождений 512÷2048. Редактирование спектров ЯМР ¹³С проводилось на основании экспериментов DEPT-90 b DEPT-135 [3].

Определение размеров частиц проводилось на приборе SALD-7101 (Shimadzu). Рабочий диапазон измерений от 10 нм до 300 мкм. Длина волны полупроводникового лазера 375 нм. Концентрация растворов 0,5 % (массовых). Измерения проводились в воде при постоянном перемешивании по всему объему кварцевой кюветы (7 мл).

Результаты исследования и их обсуждения. Результаты измерений йодбиополимеров представлены в виде распределения частиц по размерам, которое показывает долю частиц с данным диаметром. При смешении образцов с водой образуются надмолекулярные агрегаты (мицеллы). Поэтому приведенные результаты правильнее будет относить именно к таким образованиям, а не к более или менее элементарным частицам порошков.

Установлено, что наиболее крупные частицы имеет хитозан - диаметром порядка 141,2 мкм. Модификация хитозана йодом приводит к существенному снижению размеров частиц, образуемой им дисперсии в воде, где диаметр частиц равен 4,5 мкм. При этом в последнем случае распределение имеет бимодальный характер с наличием мелкодисперсного «хвоста» в области 9-30 мкм. Можно предположить, что бимодальность некоторых распределений обусловлена нестационарностью процесса образования надмолекулярных агрегатов и связана с появлением частиц разной природы. Менее существенные изменения имеют место в случае казеина, где модификация с йодом (йодказеин) приводит к снижению размеров с 4,5 мкм до 3,5 мкм. Йод и пектин при смешении с водой образует очень грубую дисперсию из слипшихся частиц, неоднородно распределенных по объему дисперсной среды, что делает невозможным их анализ данным методом. Комплексное соединение, состоящее из β-циклодекстрина, инулина и калия йодида растворимо в воде; в рабочем диапазоне частиц не обнаружено (или они меньше 10 нм).

При изучение механизмов взаимодействия анионов йода с комплексом хитозан+геллановая камедь методом ядерно-магнитного резонанса в образце БАД йодхитозан зарегистрированы спектры ЯМР ¹³C и ¹H. В спектре ЯМР ¹H имеются сигналы, принадлежащие геллановой камеди, и сигналы хитозана.

Обращает на себя внимание триплетный сигнал в спектре ЯМР ¹H при 1.21 м.д., сильнопольный сдвиг которого указывает на возможное присоединение атома J к молекуле хитозана, предположительно произошло замещение ОН–группы в положении С3, т.к. протон при С2 имеет константу спин-спинового взаимодействия J=8.8 Гц, меньшая величина которой указывает на близость гетероатома (в частности йода). Спектр ЯМР ¹³С «Йодхитозана» в дейтерированной воде (D₂O) содержит сигналы, которые соответствуют сигналам геллановой камеди и три сигнала углеродных атомов фрагмента хитозана 55.84 м.д., 69.90 м.д., 97.32 м.д., что дает возможность предположить, что с помощью йода (J₂+KJ) происходит соединение камеди с хитозаном и тогда возможно совпадение сигналов углеродных атомов, связанных гликозидной связью. Кроме того, отмечено, что спектры ЯМР ¹H содержат хорошо разрешенные сигналы, что, по-видимому, связано с разрушением мицелл хитозана и конгломерации их в мицеллы меньшего размера. В то же время в спектрах ЯМР ¹³С наблюдаются широкие сигналы, что с учетом длительного времени регистрации, характерного для данного ядра, указывает на динамический процесс «сборки» мицелл. За это время могут образовываться различные по своему характеру и размеру мицеллы, несколько отличающиеся по положению сигналов (м.д.), что и приводит к уширенным сигналам в спектрах ЯМР ¹³С.

Образец БАД йодказеин плохо растворим в дейтерированной воде. Для полученного раствора удалось зарегистрировать спектр ЯМР ¹H (рис. 3), что связано с высокой чувствительностью протонных спектров. Однако в связи с тем, что образец йодказеина представляет собой модифицированный сложный белок, полученные сигналы могут использоваться только для целей сравнительного анализа и не поддаются однозначной интерпретации. В связи с недостаточной растворимостью спектры на малочувствительном ядре ¹³С зарегистрировать не удалось. Для проведения сравнительного анализа спектральных параметров йодказеина и казеина образец йодказеина был растворен в дейтерированном диметилсульфоксиде (DMSO-d6). Были зарегистрированы спектры ЯМР ¹H и ¹³C. Из сравнения спектров ЯМР ¹H и ¹³C казеина и йодказеина, зарегистрированных в одном и том же растворителе (DMSO-d6), можно видеть, что изменений, свидетельствующих о ковалентном связывании йода с белком казеина, не происходит. Однако необходимо отметить, что йодказеин в DMSO-d6 растворяется лучше, чем сам казеин, что возможно указывает на наличие гидрофобных взаимодействий йода (J₂+KJ) и казеина.

В спектрах ЯМР ¹H БАД фитойод наблюдается большее количество малоинтенсивных уширенных сигналов в области 0.5-2.0 м.д., сильнопольное положение которых указывает на возможное присоединение атома J к пектину. Однако в спектрах ЯМР ¹³С существенных различий в положении, интенсивности или ширины линий сигналов фитойода не наблюдается.

С целью выяснения влияния компонентов смеси на параметры спектров ЯМР ¹³C и ¹H образца циклодекстрин+инулин+KJ были зарегистрированы спектры ЯМР ¹H и ¹³C, входящих в образец компонентов в индивидуальном виде в аналогичных растворителя (D₂O- дейтерированная вода). В спектре ЯМР ¹³C и ¹H надежно просматриваются сигналы исходных соединений инулина и циклодекстрина.

Для оценки влияния KJ+J₂ на параметры спектров ЯМР ¹³C и ¹H инулина для образца инулин+KJ+J₂ были зарегистрированы спектры ЯМР ¹H и ¹³C. В спектрах ЯМР ¹³C и ¹H кроме уширений линий не наблюдается существенных изменений спектральных характеристик.

На основании данных ЯМР-спектроскопии выявлено, что при взаимодействии йодида калия и йода со всеми перечисленными органическими молекулами не наблюдается существенных изменений в спектрах, что свидетельствует об отсутствии ковалентно связанного йода. Однако уширение сигналов в углеродных и протонных спектрах могут быть вызваны слабыми нековалентными взаимодействиями между йодом (в молекулярной или ионной формах) с молекулой органического соединения.

Известно, что дисперсные системы, обладающие большой поверхностью и большой поверхностной энергией, являются принципиально неустойчивыми системами. Они стремятся к самопроизвольному уменьшению межфазной поверхности, т.е. снижению дисперсности путем агрегации (укрупнение) частиц дисперсной среды. Нанодисперсные системы с размером частиц в пределах 10^-7-10^-5 см (от 1,0 до 100 нм) относятся к агрегативно устойчивым. Йодказеин, йодхитозан и фитойод в водных растворах образуют микрогетерогенные дисперсные системы. Введение стабилизаторов, адсорбирующихся на частицах дисперсной среды, как известно, обеспечивает агрегативную устойчивость дисперсных систем. В отличие от вышерассмотренных йодбиоорганических соединений комплекс «β-циклодекстрин-инулин-йод» полностью растворяется в воде, формирует частицы размерами меньше 10 нм и образует коллоидную систему, где в качестве стабилизатора дисперсной фазы выступает «β-циклодекстрин».

Выводы. Таким образом, по результатам исследования определена возможность формирования смешанных наночастиц на основе двух типов природных полисахаридов - β-циклодекстрина и инулина. Наноструктурные комплексы «β-циклодекстрин и инулин» можно рассматривать как потенциальные носители для доставки анионов йода в клетки органа мишени.

Литература

1. Березов Т.Г., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. – М.: Медицина, 2004 – 704 с.
2. Ильина А.В. Получение, исследование и перспектива использования наночастиц на основе хитозана и галактоманнана / А.В. Ильина, Н.М. Местечкина, Д.В. Курек и др. // Российские нанотехнологии. – 2011. – Т 6, № 1-2. – С. 143-148.
3. M. Doddrell, D.T. Pegg and M.R. Bendall // J. Magn. Reson. – 1982. – Vol. – 48, No. 15. – P. 3223.