Введение. Топинамбур – источник пищевых волокон, особенно ценен инулин, который присутствует в виде некрахмального легкоусвояемого полисахарида. Это полезное вещество является натуральным подсластителем с нулевой калорийностью, оно не претерпевает метаболизма в организме человека, что делает экстракт из клубня идеальным не только для диабетиков, но и в диетологии.

Сухой экстракт этого растения содержит в своем составе антиокислительные витамины. Эти витамины, вместе с флавоноидами помогают собирать в организме свободные радикалы, и тем самым обеспечивают защиту от рака, воспалений, вирусного кашля и простуды. Минералы, особенно наличие в составе калия, железа и меди, прекрасно стимулируют работу сердечно-сосудистой системы.

Усиливая сокращение стенок кишечника, инулин способствует освобождению организма от шлаков и непереваренной пищи. В кровеносных сосудах молекулы данного углевода производят аналогичную работу, очищая их от вредных продуктов обмена веществ и химических компонентов, попавших в кровь с медицинскими препаратами. Лечебные свойства топинамбура проявляются в устойчивой сопротивляемости организма различным инфекциям, кишечным бактериям и вирусным заболеваниям. Инулин оказывает еще массу положительных действий, среди которых улучшение кишечной микрофлоры, активизация деятельности желудочно-кишечного тракта, стимуляция работы желчного пузыря и защитных функций печени. Отмечен также высокий противоопухолевый эффект углевода.

Данная работа является продолжением наших исследований по изучению наноструктурированных биологическим активных соединений [1-11].

Известно, что нанообъекты обладают высокой биодоступностью, что используется в медицине и фармакологии. В литературе отсутствуют сведения и свойствах наноструктурированного экстракта сухого топинамбура.

Размер капсул, содержащих биологически активные соединения, имеет существенное значение для их физиологической активности в организме [12]. На примере многих лекарственных веществ было показано, что уменьшение размеров частиц приводит к изменению биодоступности и эффективности [13].

Цель работы. Цель данной работы заключается в проведении первого в мире исследования наноструктурированного сухого экстракта топинамбура, изучая самоорганизацию и размеры нанокапсул с помощью метода NTA (Метод анализа траекторий наночастиц).

Материалы и методы исследования. Исследование самоорганизации нанокапсул проводили следующим образом. Порошок наноструктурированного сухого экстракта топинамбура растворяли в воде, каплю наносили на покровное стекло и выпаривали. Высушенную поверхность сканировали методом конфокальной микроскопии на микроспектрометре OmegaScope, производства AIST-NT (г. Зеленоград), совмещенном с конфокальным микроскопом.

Результаты исследования и их обсуждение. Нами впервые проведено исчерпывающее исследование по влиянию природы оболочки на размер нанокапсул на примере сухого экстракта топинамбура. В качестве оболочек использовались альгинат натрия, натрий кабоксиметилцеллюлоза, каррагинан, конжаковая камедь, ксантановая камедь, пектин яблочный и цитрусовый.

Размеры полученных нанокапсул определяли методом NTA, а также проводились исследования супрамолекулярных свойств капсул с помощью самоорганизации. Супрамолекулярная химия использует законы органической синтетической химии для получения супрамолекулярных ансамблей, координационной химии комплексов и физической химии для изучения взаимодействий компонентов, биохимии – рассмотрения функционирования супрамолеклярных ансамблей. К супрамолекулярным свойствам относятся самосборка и самоорганизация [14, 15]. В супрамолекулярной химии для достижения контролируемой сборки молекулярных сегментов и спонтанной организации молекул в стабильной структуре используют нековалентные взаимодействия [16, 17]. Самоорганизующиеся структуры можно имитировать как аспекты биологических систем: искусственные клетки мембран, ферментов, или каналы [18].

Результаты исследований представлены на рис. 1.

Поскольку в водном растворе нанокапсул при их достаточно низкой концентрации обнаружены фрактальные композиции, они обладают самоорганизацией. Образование нанокапсул происходит спонтанно за счет нековалентных взаимодействий, и это говорит о том, что для них характерна самосборка. Следовательно, наноструктурированный сухой экстракт топинамбура обладает супрамолекулярными свойствами.

Рис. 1.  Конфокальное изображение наноструктурированного экстракта мяты: а) в альгинате натрия, увеличение в 920 раз, концентрация 0,5%, соотношение ядро : оболочка 1:3; б) в каррагинане, увеличение в 920 раз, концентрация 0,25%, соотношение ядро : оболочка 1:3; в) в конжаковой камеди, увеличение в 1200 раз, концентрация 0,125%, соотношение ядро : оболочка 1:3; г) в ксантановой камеди, увеличение в 720 раз, концентрация 0,5%, соотношение ядро : оболочка 1:3; д) в яблочном пектине, увеличение в 720 раз, концентрация 0,25%, соотношение ядро : оболочка 1:3.

Fig. 1.  Confocal images of nanostructured mint extract: a) sodium alginate, an increase of 920 times, concentration of 0,5%, the ratio of core : shell 1:3; b) in karraginans, an increase of 920 times, the concentration of 0,25%, the ratio core : shell 1:3; c) in konzhakovo resins, an increase of 1200 times, the concentration of 0,125%, the ratio of core : shell 1:3; g) in xanthan gum, an increase of 720 times, the concentration of 0,5%, the ratio of core : shell 1:3; d) in apple pectin, an increase of 720 time,  the concentration of 0,25%, the ratio core : shell 1:3.

На рис. 1 представлены самоподобные объекты, инвариантные относительно локальных дилатаций, т.е. фракталы. Известно, что фракталы являются естественным заполнением множеств между известными евклидовыми объектами с целочисленными размерностями. Наличие фрактала указывает на возможность получения совершенно другого полимера при практически неизменном составе макромолекулы. Этот «новый полимер» будет иметь другие молекулярные характеристики и отличающуюся надсегментальную структуру. Фрактальная композиция так же указывает на процесс самосборки, что указывает на образование нанокапсул.

Определение размеров нанокапсул осуществляли в различных оболочка: агар-агар, альгинат натрия, геллановая камедь и конжаковая камедь. Их размеры представлены на рис. 2-5 и в табл. 1-4.

Рис. 2. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул топинамбура в агар-агаре, соотношение ядро : оболочка 1-3

Fig. 2. Distribution of particle size in the sample nanocapsule artichoke in agar- agar, the ratio of core : shell 1-3

Таблица 1

Характеристики нанокапсул топинамбура в агар-агаре

Table 1

Characteristics of nanocapsule artichoke in agar- agar

Примечание: D10, D50, D90 – десятый, пятидесятый и девяностый процент распределения (размеры, ниже которых лежат 10%, 50% и 90% частиц).

Рис. 3. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул топинамбура в альгинате натрия, соотношение ядро : оболочка 1-3

Fig. 3. Distribution of particle size in the sample nanocapsule artichoke  in sodium alginate, the ratio of core : shell 1-3
 

Таблица 2

Характеристики нанокапсул топинамбура в альгинате натрия

Table 2

Characteristics of nanocapsule artichoke in sodium alginat

Рис. 4. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул топинамбура в геллановой камеди, соотношение ядро : оболочка 1-3

Fig. 4. Distribution of particle size in the sample nanocapsule artichoke  in galanova resins, the ratio of core : shell 1-3
 

Таблица 3

Характеристики нанокапсул топинамбура в геллановой камеди

Table 3

Characteristics of nanocapsule artichoke in gellanova resins

Рис. 5. Распределение частиц по размерам в образце нанокапсул топинамбура  в конжаковой камеди, соотношение ядро : оболочка 1-3

Fig. 5. Distribution of particle size in the sample nanocapsule Jerusalem artichoke  in konzhakovo resins, the ratio of core : shell 1-3
 

Таблица 4

Характеристики нанокапсул топинамбура в конжаковой камеди

Table 4

Characteristics of nanocapsule Jerusalem artichoke in konzhakovo resins