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

In de wereld van de voedselwetenschap is een van de oudste uitdagingen hoe men ingrediënten kan leveren die niet goed mengen met water. Veel gunstige verbindingen die in de natuur worden gevonden, zoals het heldergele specerij curcumine dat in kurkuma zit, zijn hydrofoob, wat betekent dat ze water afstoten en moeite hebben om op te lossen in het menselijk lichaam. Zonder een manier om hen door de waterige omgeving van het spijsverteringsstelsel te transporteren, passeren deze krachtige stoffen vaak zonder geabsorbeerd te worden. Om dit op te lossen, kijken wetenschappers al lang naar eiwitten als natuurlijke dragers. Eén zodanig eiwit, genaamd zeïne, wordt geëxtraheerd uit maïs. Het heeft het unieke vermogen om zich te vouwen tot kleine, waterbestendige sferen die vettige stoffen binnenin kunnen vangen, werkend als een beschermende schil. Deze eiwitbolletjes zijn echter fragiel; ze kunnen gemakkelijk uiteenvallen of samenklonteren wanneer ze worden blootgesteld aan de wisselende omstandigheden van de maag en de darmen, waardoor hun lading te vroeg vrijkomt of volledig verloren gaat.

Onderzoekers hebben geprobeerd deze eiwitschillen te versterken door andere natuurlijke ingrediënten toe te voegen om ze taaier en stabieler te maken. In een recente studie verkenden wetenschappers van instellingen in China en Australië een nieuwe aanpak om deze maiseiwitdragers te versterken. Ze combineerden het eiwit met twee specifieke additieven: een gemodificeerde suiker en een plantaardige tannine. Het doel was om te zien of dit trio een robuustere leveringsmethode kon creëren die niet alleen de curcumine beschermde, maar deze ook langzaam en gestaag vrijgaf, zodat het verzekerd werd dat het de plek in het lichaam bereikte waar het het meest nodig was. Door de componenten zorgvuldig te mengen, streefde het team ernaar een microscopisch vaartuig te bouwen dat de zware reis door het spijsverteringskanaal zou kunnen doorstaan.

De onderzoekers begonnen met het maken van een mengsel van maiseiwit, een gemodificeerde vorm van mannose-suiker bekend als geacetyleerde oligosacharide, en tanninezuur, een verbinding die voorkomt in thee en eikenbast. Ze gebruikten een eenvoudige pH-gestuurde methode om deze ingrediënten te assembleren tot nanodeeltjes, wat minuscule deeltjes zijn die zo klein zijn dat ze alleen met krachtige microscopen kunnen worden gezien. In dit proces loste het team de ingrediënten eerst op in een basische oplossing en paste vervolgens de zuurgraad langzaam aan naar neutraal, waardoor de moleculen zichzelf assembleerden tot sferische structuren. Ze testten drie verschillende versies: één met alleen het eiwit, één met het eiwit en de suiker, één met het eiwit en het tanninezuur, en tenslotte het volledige driesysteem. Vervolgens laadden ze elke versie met curcumine om te zien hoe goed de verschillende structuren de specerij konden vasthouden.

De resultaten toonden aan dat het driesysteem veel superieur was aan de andere. Terwijl de gewone eiwitbolletjes ongeveer 67 procent van de curcumine wisten te vangen, legde de complete mengeling van eiwit, suiker en tanninezuur meer dan 90 procent ervan vast. Deze dramatische verbetering gebeurde omdat de suiker en het tanninezuur samenwerkten om de structuur van de eiwitschil aan te trekken en te verstevigen. De suiker fungeerde als een stabilisator, die hielp de deeltjes gescheiden te houden en klontering te voorkomen, terwijl het tanninezuur diende als een cross-linker, die de eiwitmoleculen steviger aan elkaar bond. Dit creëerde een dichtere, meer uniforme sfeer die beter in staat was de curcumine binnenin vergrendeld te houden. Wanneer het team deze deeltjes onder een transmissie-elektronenmicroscoop bekeek, zagen ze dat het driesysteem gladde, perfect ronde sferen vormde, terwijl de eenvoudigere versies ruwer en minder consistent in vorm waren.

Om te begrijpen hoe deze ingrediënten bij elkaar hielden, onderzochten de wetenschappers de moleculaire interacties binnen de deeltjes. Ze ontdekten dat de suiker en het tanninezuur zich aan specifieke delen van de eiwitmoleculen hechtten, voornamelijk via waterstofbruggen en hydrofobe interacties. Dit zijn dezelfde krachten die ervoor zorgen dat water aan zichzelf blijft plakken of olie het afstoot. Met name het tanninezuur vormde een sterk netwerk van bindingen met het eiwit, waardoor het effectief fungeerde als een chemische lijm die de gehele structuur rigider maakte. De suikermoleculen hielpen het oppervlak van het eiwit te bedekken, waardoor het compatibeler werd met water en de deeltjes voorkomend aan elkaar plakten. Deze combinatie van een strakke interne kern en een stabiele buitenlaag betekende dat de deeltjes veel minder waarschijnlijk uit elkaar zouden vallen bij blootstelling aan zout, veranderingen in de zuurgraad of het verstrijken van de tijd.

De studie testte ook hoe deze deeltjes zich gedroegen in een gesimuleerde spijsverteringsomgeving. Wanneer ze werden geplaatst in omstandigheden die de maag en de darmen nabootsten, hielden de deeltjes gemaakt van het driesysteem zich opmerkelijk goed staande. Ze boden meer weerstand tegen afbraak door spijsverteringsenzymen dan de eenvoudigere versies, wat betekende dat ze de curcumine konden beschermen tijdens de reis door het lichaam. Wanneer de onderzoekers maten hoe snel de curcumine vrijkwam, ontdekten ze dat het driesysteem het langzaamst en meest gestaag vrijgaf. In tegen tegenstelling tot vrije curcumine, die snel oploste en verdween, sijpelde de in de driesysteem-nanodeeltjes gevangen curcumine langzaam over een bepaalde tijd weg. De onderzoekers gebruikten een wiskundig model om dit vrijgavepatroon te beschrijven en vonden dat het paste bij een specifieke curve bekend als het Weibull-model, dat vaak wordt gebruikt om complexe vrijgavegedragingen te beschrijven. Dit bevestigde dat de deeltjes niet alleen de curcumine vasthielden, maar ook actief controleerden hoe deze werd geleverd.

Naast het louter dragen van de curcumine, kregen de nieuwe deeltjes ook extra voordelen van hun ingrediënten. Zowel het tanninezuur als de curcumine zelf staan bekend om hun vermogen om schadelijke vrije radicalen in het lichaam te bestrijden. Wanneer ze in het nanoparticle-systeem werden gecombineerd, vertoonde het mengsel een sterker vermogen om deze radicalen te neutraliseren dan het eiwit alleen. Dit suggereert dat het leveringssysteem zelf kan bijdragen aan de gezondheidsvoordelen van het supplement. De onderzoekers controleerden ook de stabiliteit van de deeltjes over een periode van vier weken. De gewone eiwitdeeltjes begonnen binnen een week samen te klonteren en hun vorm te verliezen, maar het driesysteem bleef de hele maand stabiel en uniform. Deze langetermijnstabiliteit is cruciaal voor elk voedingsmiddel, omdat het ervoor zorgt dat de verpakking intact blijft van de fabriek tot aan het schap van de consument.

De bevindingen van deze studie benadrukken het potentieel van het gebruik van natuurlijke, plantaardige ingrediënten om betere leveringssystemen te bouwen. Door maiseiwit te combineren met een gemodificeerde suiker en tanninezuur, creëerden de onderzoekers een nanopartikel dat stabieler is, zijn lading effectiever vasthoudt en deze op een gecontroleerde manier vrijgeeft. Deze aanpak vermijdt het gebruik van harde chemische oplosmiddelen en vertrouwt in plaats daarvan op eenvoudige veranderingen in de zuurgraad om de deeltjes te assembleren. Hoewel de studie in een laboratoriumsetting werd uitgevoerd, suggereren de resultaten een veelbelovend pad voor het ontwikkelen van functionele voedingsmiddelen die hydrofobe voedingsstoffen efficiënter kunnen leveren. Het werk demonstreert dat door te begrijpen hoe deze moleculen interageren, wetenschappers microscopische structuren kunnen ontwerpen die zowel robuust als effectief zijn, wat een nieuwe manier biedt om de kracht van natuurlijke verbindingen voor de menselijke gezondheid aan te boren.