Composite Materials Based on Biocompatible Metal-Organic Framework and Anthocyanins from Hibiscus sabdariffa for Active Food Packaging

Full Text

Активная пищевая упаковка [1] является одним из самых динамично развивающихся направлений современной пищевой химии. Благодаря наличию компонентов различной природы, обладающих биологической активностью, композитные материалы могут увеличить срок хранения продуктов питания путем ингибирования процессов, ведущих к их порче [2]. В роли активных агентов в составе таких материалов часто выступают антоцианы [3]. Эти распространенные в растительном мире водорастворимые окрашенные флавоноиды, придающие окраску цветкам, листьям и плодам многих растений, используются как натуральные красители в пищевых продуктах и напитках [4]. Антоцианы меняют свою окраску от красной (в сильнокислой среде) до фиолетовой (в нейтральной среде) и зелено-желтой (в щелочной среде) [5], благодаря чему материалы на их основе подходят [6] для определения накопления в пищевой упаковке газообразных продуктов развития патогенных организмов – биогенных аминов и CO₂. Благодаря своей полифенольной природе антоцианы обладают широким спектром биоактивных свойств, включающих антиоксидантную, антибактериальную и противовоспалительную активность. Например, антоцианы в цветках суданской розы (англ. Hibiscus sabdariffa) проявляют антимикробные [7] и антиоксидантные [8] свойства, снижают уровень холестерина [9], предотвращают заболевания почек [10] и снижают артериальную гипертензию у пациентов с сахарным диабетом II типа [11].

В современных исследованиях в области активной пищевой упаковки важная роль отведена композитным материалам на основе природных гидроколлоидов [12]. Эти водорастворимые биополимеры полисахаридной и белковой природы давно нашли свое применение в пищевой индустрии в качестве эмульсификаторов [13], загустителей [14], стабилизаторов [15] и желирующих агентов [16]. Такой интерес научного сообщества к гидроколлоидам вызван их способностью образовывать трехмерные сетки геля в водных и спиртовых растворах, которые после удаления растворителя формируют прочные пленочные покрытия [17]. Полученные пленки (в отличие от упаковочных материалов из традиционных синтетических полимеров) полностью биосовместимы и биоразлагаемы [18], что делает исследования материалов на основе гидроколлоидов особенно актуальными.

Введение антоцианов в гидроколлоидную матрицу осложнено высокой чувствительностью их молекул к свету, кислороду, температуре и наличию ферментов [3], что ограничивает их применение в пищевой упаковке длительного хранения. Одним из способов решения данной проблемы является нанопакетирование молекул антоцианов в пористые материалы, такие как цеолиты [19] и натуральные глины [20]. Такой подход позволяет стабилизировать молекулы антоцианов, а при использовании субстрата, также обладающего активными свойствами, создавать композитные материалы комплексного действия [21].

Металл-органические координационные полимеры (МОКП) являются уникальным классом пористых кристаллических материалов [22], обладающих огромной удельной поверхностью и контролируемой структурой пор, определяемой природой выбранных на этапе синтеза структурных компонентов [23]. МОКП активно применяются в различных областях науки, например в катализе [24], для разделения смесей газов [25] и оптически-активных соединений [26], адресной доставки лекарств [27] и биомедицинской визуализации [28]. Однако они до сих пор не рассматривались в качестве субстрата для малостабильных молекул в материалах для активной пищевой упаковки. Ранее авторами статьи были описаны примеры использования МОКП ZnGlu {[Zn₄(GA)₄(H₂O)₄] · 4H₂O}_n (H₂GA = глутаминовая кислота) как носителя антимикробных гидрофобных молекул [29] в составе композитных материалов для данного применения.

В настоящей работе нами получены композитные материалы на основе гидроколлоидной матрицы, состоящей из каппа-каррагинана и гидроксипропилметицеллюлозы, биосовместимого МОКП ZnGlu и антоцианов цветков суданской розы. Полученные материалы продемонстрировали хорошую антиоксидантную активность для использования в качестве активных упаковочных материалов для определения газообразных продуктов развития патогенных организмов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Все операции, связанные с синтезом МОКП и получением композитных пленок, выполняли на воздухе с использованием коммерчески доступных реагентов и растворителей. Анализ на содержание углерода и водорода проводили на микроанализаторе CarloErba, модель 1106.

Для экстракция антоцианов брали 5 г сухого порошка чашечек суданской розы (англ. Hibiscus sabdariffa), помещали в подкисленный лимонной кислотой этанол (30 мл, pH 2) и выдерживали в ультразвуковой бане при 80°C в течение 30 мин. Полученный экстракт гибискуса отделяли центрифугированием и хранили в закрытом сосуде в холодном темном месте.

Синтез ZnGlu проводили согласно адаптированному ранее опубликованному протоколу [30]. К раствору L-глутаминовой кислоты (50 ммоль, 7.36 г) и гидроксида натрия (100 ммоль, 4 г) в дистиллированной воде (100 мл) при перемешивании по каплям добавляли раствор гексагидрата нитрата цинка (50 ммоль, 14.86 г) в воде (100 мл). Реакционную смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 30 мин. Полученный осадок отфильтровывали, промывали водой и сушили при комнатной температуре. Выход – 13.57 г (97%).

Найдено, %: C 24.43; H 4.68; N 5.64.

Для C₂₄H₁₂O₁₃Zn₄

вычислено, %: C 24.36; H 4.51; N 5.68.

Синтез ZnGlu-HE. Внедрение молекул антоцианов в частицы МОКП проводили вымачиванием порошка ZnGlu в спиртовом экстракте суданской розы при перемешивании в течение 12 ч. Полученный фиолетовый порошок отфильтровывали, промывали спиртом и сушили при комнатной температуре.

Получение композитных пленок. Порошок ZnGlu или ZnGlu-HE добавляли в различных количествах (5, 15, 30 масс.% общей массы гидроколлоидов) к раствору глицерина (0.80 г) и сорбата калия (0.02 г) в дистиллированной воде (100 мл). Смесь перемешивали с помощью ультразвуковой бани в течение 3 мин, после чего нагревали до 80°C. Смесь каппа-каррагинана (1.60 г) и гидроксипропилметилцеллюлозы (0.40 г) вносили при перемешивании, а полученную в результате однородную суспензию охлаждали при перемешивании до 50°C. Раствор выливали на стекло, подогретое до температуры 50°C, разравнивали с помощью ножевого устройства с высотой ножа 3 мм и оставляли на подогреваемой подложке до полного высыхания. Полученную пленку отделяли от стекла и хранили в сухом месте при комнатной температуре.

Исследования методом порошковой рентгеновской дифракции проводили на дифрактометре Proto AXRD c медным анодом, никелевым K_β-фильтром (K_α = 1.541874 Ǻ) и 1D-детектором Dectris Mythen 1K в геометрии Брэгга–Брентано в угловом диапазоне 5°—50° с шагом 0.02° по углу 2θ.

Исследование антиоксидантной активности методом FRAP (Ferric Reducing Antioxidant Power assay) проводили с помощью спектрофотометра Shimadzu UV-2600. Образцы композитных пленок (50 мг) нагревали до 50°C в водном растворе гексацианоферрата(III) калия (1 масс.%, 2.5 мл) в течение 3 ч, после чего добавляли водные растворы уксусной кислоты (10%, 2.5 мл) и нитрата железа(III) (0.1 масс.%, 5 мл). После окончания реакции, протекание которой определялось появлением синей окраски, раствор центрифугировали и отделяли для регистрации спектра поглощения на длине волны 700 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Синтез ZnGlu проводили по ранее опубликованному экологичному протоколу путем прямого осаждения из водного раствора при комнатной температуре [30]. Данные рентгеновской дифракции ZnGlu (pис. 1), совпадающие с теоретически рассчитанными для чистого ZnGlu, подтвердили образование данного МОКП. Внедрение антоцианов, полученных ультразвуковой экстракцией из порошка чашечек суданской розы, в частицы МОКП проводили вымачиванием порошка ZnGlu в спиртовом экстракте в течение 12 ч. При этом белый порошок ZnGlu приобретал фиолетовую окраску.

Композитные пленки на основе ZnGlu и ZnGlu-HE и гидроколлоидной матрицы из каппа-каррагинана и гидроксипропилметилцеллюлозы в соотношении 4 : 1 [29] получали путем формования пленкообразующего раствора методом “doctor blade” с использованием мембранно-наливочной машины ножевого типа [31]. В состав композитной смеси также добавляли глицерин в качестве пластификатора и сорбат калия в качестве консерванта и источника ионов калия, снижающих отталкивание между сульфатными группами каппа-каррагинана для создания эластичного геля [32]. Порошки ZnGlu и ZnGlu-HE распределяли в растворе вышеуказанных добавочных агентов с помощью ультразвукового перемешивания в течение 3 мин перед добавлением смеси гидроколлоидов. В качестве контрольного образца выступала гидроколлоидная пленка (KcHm), которая не содержала частиц МОКП.

Все изготовленные композитные пленки (pис. 2) обладали высокой эластичностью, при этом их прозрачность снижалась с увеличением концентрации МОКП. Помимо этого пленки, содержащие ZnGlu-HE, обладали фиолетовой окраской, интенсивность которой также усиливалась при увеличении концентрации ZnGlu-HE. Анализ дифрактограмм (см. рис. 1) образцов композитных пленок подтвердил наличие в них кристаллической фазы, отвечающей ZnGlu (кроме контрольного образца).

 

Рис. 1. Данные порошковой рентгеновской дифракции для образцов ZnGlu и композитных пленок на его основе, добавленного в количествах 5, 15 и 30% общей массы гидроколлоидов, в сравнении с теоретически рассчитанной дифрактограммой ZnGlu.

 

Рис. 2. Фотографии композитных пленок на основе ZnGlu и ZnGlu-HE различного состава.

 

Для определения характера изменения окраски раствора экстракта гибискуса в зависимости от кислотности среды небольшое количество экстракта гибискуса помещали в растворы с различными значениями pH (рис. 3). При этом наблюдали переход из розового (кислая среда) в синий (нейтральная-слабощелочная среда) и зеленый (щелочная среда).

 

Рис. 3. Изменение окраски экстракта чашечек суданской розы в зависимости от кислотности среды, указанной на виалах.

 

Выдерживание образцов полученных композитных пленок, содержащих ZnGlu-HE, в закрытых сосудах над растворами уксусной кислоты и аммиака в течение более 5 мин приводило к изменению окраски пленок, соответствующее ожидаемому изменению pH (рис. 4). С ростом содержания МОКП окрашивание композитных пленок становилось более интенсивным, благодаря чему заметный переход наблюдался для образцов с содержанием МОКП 15 и 30%.

 

Рис. 4. Изменение окраски композитных пленок на основе ZnGlu-HE при воздействии с парами уксусной кислоты и аммиака. Слева от фотографии указан весовой процент МОКП относительно суммарного веса гидроколлоидной матрицы.

 

В соответствии с результатами исследования антиоксидантной активности композитных пленок по методу FRAP, основанному на способности антиоксидантов восстанавливать ионы железа(III), было обнаружено, что увеличение содержания ZnGlu-HE ведет к увеличению восстановительной способности композитных пленок (рис. 5). Наблюдаемое небольшое увеличение восстановительной способности композитных пленок, содержащих исходный МОКП, по сравнению с контрольным образцом может быть связано с синергетическим эффектом взаимодействия каппа-каррагинана и МОКП.

 

Рис. 5. Восстановительная способность композитных пленок на основе ZnGlu-HE в сравнении с композитными пленками, содержащими ZnGlu.

 

Таким образом, нами получены новые композитные пленки на основе гидроколлоидной матрицы из смеси каппа-каррагинана и гидроксипропилметилцеллюлозы, содержащие частицы МОКП ZnGlu с антоцианами, полученными ультразвуковой экстракцией из порошка чашечек суданской розы. Данные материалы охарактеризованы с помощью порошковой рентгеновской дифракции и спектрофотометрии. Наличие антиоксидантной активности и pH-чувствительного цветового перехода данных композитных материалов указывает на возможность дальнейшего использования МОКП в качестве субстрата для активных агентов в функциональных материалах для активной упаковки пищевых продуктов.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 20-73-10200). Элементный анализ проводили на оборудовании Центра исследования строения молекул ИНЭОС РАН при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Госзадание № 075-03-2023-642).

About the authors

A. M. Pak

Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds, Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: novikov84@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Moscow

V. V. Novikov

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Author for correspondence.
Email: novikov84@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files