Unique nanoparticle via regulated assembly pattern in Zein, acetylated oligosaccharide and tannic acid tertiary system and controlled release function

في عالم علوم الأغذية، يظل أحد أقدم التحديات هو كيفية إيصال المكونات التي لا تمتزج جيداً مع الماء. فالعديد من المركبات المفيدة الموجودة في الطبيعة، مثل الكركمين الأصفر الزاهي الموجود في الكركم، هي مركبات كارهة للماء، مما يعني أنها تنفر من الماء وتكافح للذوبان في جسم الإنسان. وبدون وسيلة لحملها عبر البيئة المائية للجهاز الهضمي، غالباً ما تمر هذه المواد القوية دون أن يتم امتصاصها. ولحل هذه المشكلة، نظر العلماء لفترة طويلة إلى البروتينات كحوامل طبيعية. أحد هذه البروتينات، ويسمى "الزين" (zein)، يُستخرج من الذرة. وهو يمتلك قدرة فريدة على الالتفاف ليشكل كرات صغيرة مقاومة للماء يمكنها حبس المواد الزيتية بداخلها، لتعمل كغلاف واقٍ. ومع ذلك، فإن هذه الكرات البروتينية هشة؛ إذ يمكن أن تتفكك بسهء أو تتكتل معاً عند تعرضها للظروف المتغيرة في المعدة والأمعاء، مما يؤدي إلى إطلاق حمولتها مبكراً جداً أو فقدانها بالكامل.

لقد عمل الباحثون على تعزيز هذه الأغلفة البروتينية عن طريق إضافة مكونات طبيعية أخرى لجعلها أكثر قوة واستقراراً. وفي دراسة حديثة، استكشف علماء من مؤسسات في الصين وأستراليا نهجاً جديداً لتقوية هذه الحوامل البروتينية المستخلصة من الذرة. فقد دمجوا البروتين مع مادتين مضافتين محددتين: سكر معدل وتانين نباتي. وكان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا الثلاثي يمكن أن يخلق نظام توصيل أكثر متانة لا يحمي الكركمين فحسب، بل يطلقه أيضاً ببطء وثبات، مما يضمن وصوله إلى الجسم حيث تشتد الحاجة إليه. ومن خلال خلط هذه المكونات بعناłość، هدف الفريق إلى بناء وعاء مجهري يمكنه الصمود أمام الرحلة القاسية عبر الجهاز الهضمي.

بدأ الباحثون بإنشاء خليط من بروتين الذرة، وشكل معدل من سكر المانوز يُعرف باسم "الأوليغوساكريد المأسيتل" (acetylated oligosaccharide)، وحمض التانيك، وهو مركب يوجد في الشاي ولحاء البلوط. واستخدموا طريقة بسيطة تعتمد على درجة الحموضة (pH) لتجميع هذه المكونات في جسيمات نانوية، وهي جزيئات صغيرة جداً لدرجة أنه لا يمكن رؤيتها إلا بالمجاهر القوية. وفي هذه العملية، قام الفريق أولاً بإذابة المكونات في محلول قاعدي ثم عدل الحموضة ببطء لتصل إلى التعادل، مما تسبب في تجميع الجزيئات ذاتياً لتشكل هياكل كروية. وقد اختبروا ثلاث نسخ مختلفة: نسخة تحتوي على البروتين فقط، ونسخة تحتوي على البروتين والسكر، ونسخة تحتوي على البروتين وحمض التانيك، وأخيراً النظام الكامل المكون من ثلاثة أجزاء. ثم قاموا بتحميل كل نسخة بالكركمين لمعرفة مدى قدرة الهياكل المختلفة على الاحتفاظ به.

أظهرت النتائج أن النظام المكون من ثلاثة أجزاء كان متفوقاً بمراحل على النسخ الأخرى. فبينما تمكنت كرات البروتين العادية من حبس حوالي 67 بالمائة من الكركمين، نجح الخليط الكامل من البروتين والسكر وحمض التانيك في التقاط أكثر من 90 بالمائة منه. حدث هذا التحسن الهائل لأن السكر وحمض التانيك عملا معاً لشد هيكل الغلاف البروتيني. فقد عمل السكر كمثبت، مما ساعد في إبقاء الجسيمات منفصلة ومنعها من التكتل، بينما عمل حمض التانيك كعامل ربط عرضي (cross-linker)، حيث ربط جزيئات البروتين ببعضها البعض بقوة أكبر. خلق هذا نظاماً أكثر كثافة وتجانساً، وكان أفضل في إبقاء الكركمين محبوساً بالداخل. وعندما فحص الفريق هذه الجسيمات تحت مجهر إلكتروني نافذ، رأوا أن النظام المكون من ثلاثة أجزاء شكل كرات ملساء ومستديرة تماماً، في حين كانت النسخ الأبسط أكثر خشونة وأقل اتساقاً في الشكل.

ولفهم كيفية تماسك هذه المكونات، فحص العلماء التفاعلات الجزيئية داخل الجسيمات. ووجدوا أن السكر وحمض التانيك يلتصقان بأجزاء محددة من جزيئات البروتين، بشكل أساسي من خلال الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكارهة للماء. وهذه هي نفس القوى التي تسمح للماء بالالتصاق بنفسه أو للزيت بأن ينفر من الماء. وقد شكل حمض التانيك، على وجه الخصوص، شبكة قوية من الروابط مع البروتين، حيث عمل بفعالية كغراء كيميائي جعل الهيكل بأكمله أكثر صلابة. كما ساعدت جزيئات السكر في تغطية سطح البروتين، مما جعله أكثر توافقاً مع الماء ومنع الجسيمات من الالتصاق ببعضها البعض. هذا المزيج من النواة الداخلية المحكمة والطبقة الخارجية المستقرة جعل الجسيمات أقل عرضة للتفكك عند التعرض للملح، أو تغيرات الحموضة، أو مرور الوقت.

اختبرت الدراسة أيضاً كيفية سلوك هذه الجسيمات في بيئة هضمية محاكية. فعند وضعها في ظروف تحاكي المعدة والأمعاء، صمدت الجسيمات المصنوعة من النظام الثلاثي بشكل ملحوٌح. فقد قاومت التحلل بواسطة الإنزيمات الهاضمة لفترة أطول من النسخ الأبسط، مما يعني أنها استطاعت حماية الكركمين أثناء رحلته عبر الجسم. وعندما قاس الباحثون سرعة إطلاق الكركمين، وجدوا أن النظام الثلاثي أطلق الكركمين ببطء وثبات أكبر. وخلافاً للكركمين الحر، الذي يذوب بسرعة ويختفي، كان الكركمين المحبوس في الجسيمات النانوية الثلاثية يتسرب تدريجياً بمرور الوقت. استخدم الباحثون نموذجاً رياضياً لوصف نمط الإطلاق هذا ووجدوا أنه يتوافق مع منحنى محدد يُعرف بنموذج "ويبُل" (Weibull model)، والذي يُستخدم غالباً لوصف سلوكيات الإطلاق المعقدة. وقد أكد ذلك أن الجسيمات لم تكن مجرد حامل للكركمين، بل كانت تتحكم فعلياً في كيفية إيصاله.

وبعيداً عن مجرد حمل الكركمين، اكتسبت الجسيمات الجديدة فوائد إضافية من مكوناتها. فحمض التانيك والكركمين نفسه معروفان بقدرتهما على محاربة الجذور الحرة الضارة في الجسم. وعند دمجهما في نظام الجسيمات النانوية، أظهر الخليط قدرة أقوى على تحييد هذه الجذور مقارنة بالبروتين وحده. وهذا يشير إلى أن نظام التوصيل نفسه يمكن أن يساهم في الفوائد الصحية للمكمل الغذائي. كما تحقق الباحثون من استقرار الجسيمات على مدى فترة أربعة أسابيع؛ فبينما بدأت جسيمات البروتين العادية في التكتل وفقدان شكلها في غضون أسبوع، ظل النظام الثلاثي مستقراً ومتجانساً طوال الشهر بأكمله. وهذا الاستقرار طويل الأمد أمر بالغ الأهمية لأي منتج غذائي، لأنه يضمن بقاء العبوة سليمة من المصنع حتى وصولها إلى رفوف المستهلك.

تسلط نتائج هذه الدراسة الضوء على إمكانية استخدام المكونات الطبيعية والنباتية لبناء أنظمة توصيل أفضل للمركبات المعززة للصحة. فمن خلال دمج بروتين الذرة مع سكر معدل وحمض التانيك، استطاع الباحثون إنشاء جسيم نانوي أكثر استقراراً، ويحتفظ بحمولته بفعالية أكبر، ويطلقها بطريقة محكومة. ويتجنب هذا النهج استخدام المذيبات الكيميائية القاسية، معتمداً بدلاً من ذلك على تغييرات بسيطة في الحموضة لتجميع الجسيمات. وبينما أجريت الدراسة في بيئة مختبرية، فإن النتائج تشير إلى مسار واعد لتطوير أطعمة وظيفية يمكنها إيصال المغذيات الكارهة للماء بكفاءة أكبر. إن هذا العمل يوضح أنه من خلال فهم كيفية تفاعل هذه الجزيئات، يمكن للعلماء هندسة هياكل مجهرية تكون قوية وفعالة في آن واحد، مما يقدم طريقة جديدة لتسخير قوة المركبات الطبيعية من أجل صحة الإنسان.