مقاله حامل های لیپیدی نانوساختار : یک سیستم انتقال بالقوه برای کاربردهای غذایی

بخشی از مقاله

چکیده:

حاملهای لیپیدی نانوساختار - NLC - 1، نانوامولسیونهای O/W هستند که در آنها فاز پراکنده مخلوطی از چربی و روغن است که در دمای اتاق/بدن جامد است. NLC در بعضی شرایط از نانوحاملهای لیپیدی دیگر موثرتر میباشد و مزایای آنها را در بر میگیرد و تا حدی عیوب آنها را نیز برطرف مینماید. NLC بهطور عمده برای انتقال اجزای لیپوفیل به داخل غذاها و نوشیدنیها مناسب خواهد بود. این سیستم کلوئیدی با استفاده از تجهیزات رایج در صنایع غذایی از اجزای غذایی و یا GRAS قابل تولید است. اهداف این مطالعه معرفی NLC بهعنوان یک حامل بالقوه برای کاربردهای غذایی و بیان مزیتهای آن نسبت به حاملهای لیپیدی دیگر میباشد، همچنین نحوه انتخاب اجزای آن و رایجترین اجزا و روشهای تولید آن ارائه خواهد شد، همچنین، در مورد انواع ساختارهای پیشنهاد شده برای آن و کاربردهای بالقوه آن در صنایع غذایی و معایب احتمالی آن بحث خواهد شد.

واژه های کلیدی: نانوحاملهای لیپیدی، نانوذرات لیپیدی، مواد زیستفعال لیپوفیل، غذاهای عملگر، نوشیدنیها

-1 مقدمه

نانوفناوری عبارت است از تولید، دستکاری و کاربرد موادی که حداقل یک بعد آنها کمتر از 100 نانومتر است. خواص فیزیکوشیمیایی و زیستی ساختارها و سیستمها در مقیاس نانو بهطور اساسی با مقیاس میکرو متفاوت است؛ بهدلیل برهمکنشهای منفرد اتمها و مولکلها، که بدانوسیله کاربردهای عملکردی منحصربفرد و جدید را ایجاد میکنند[.12]اخیراً تلاش و سرمایهگذاری زیادی در زمینه نانوفناوری بهمنظور کاربرد آن در صنایع غذایی در حال انجام است. یکی از کاربردهای عمده نانوفناوری در صنعت غذا به طراحی و کاربرد سیستمهای کنترل رهایش مربوط میشود. حاملهای با مقیاس نانو در مقایسه با انواعمیکرو توزیع اندازه - نسبتاً - باریکی دارند، پایداری سینتیکی طولانی مدت یا پایداری ترمودینامیکی دارند[20]، حلالیت و زیستدستیابی مواد زیستفعال را افزایش میدهند و کنترل رهایش راحتتری دارند21]؛[به همین دلیل اخیراً اهمیت زیادی در انتقال اجزای فعال پیدا کردهاند.

نانوحاملها را میتوان به 3 دسته لیپیدی، پلیمری و لیپیدی- پلیمری تقسیمبندی نمود. اما علاقه زیادی به کاربرد نانوحاملهای لیپیدی نسبت به پلیمری در صنایع وجود دارد؛ بهدلیل سمیت بالقوه پلیمرها، نبود روشهای تولید در مقیاس وسیع برای انواع پلیمری[20] موجودیت کم بیوپلیمرهای مناسب - مانند پروتئین و کربوهیدرات - و نیاز به استفاده از حلال آلی.[9] علاوه براین، اکثر ترکیبات زیستفعال - مانند اسیدهای چرب، کاروتنوئیدها،پلیفنولها، فیتوسترولها، ویتامینهای محلول در چربی و دیگر اجزای غذا-دارو - ، رنگها، ترکیبات طعم دهنده و نگهدارندهها خاصیت هیدروفوب دارند و به همین دلیل سیستمهای حامل نوع روغن در آب اغلب برای ریزپوشانی و کنترل رهایش این ترکیبات مناسب هستند. از طرف دیگر، وجود لیپیدهای قابلهضم در سیستم حامل، جذب ترکیبات زیستفعال را در روده افزایش میدهد.[5]

مهمترین نانوحاملهای لیپیدی عبارتند از: لیپوزوم، نانوامولسیون، میکروامولسیون، نانوذرات لیپیدی جامد - SLN - 2 و حاملهای لیپیدی نانوساختار . - NLC - در بعضی شرایط، سیستم انتقال NLC از حاملهای لیپیدی دیگر موثرتر میباشد و مزایای آنها را در بر میگیرد و تا حدی عیوب آنها را نیز برطرف مینماید. NLC بهعنوان یک حامل جدید در بدو ورود به صنعت غذا میباشد و برخلاف نانوحاملهای لیپیدی دیگر، در منابع مطالب کمی در مورد آن وجود دارد. بنابراین، این مطالعه بهطور خاص به معرفی NLC و کاربردهای بالقوه آن در صنایع غذایی میپردازد.

-2 مقایسه NLC با نانوحاملهای لیپیدی دیگر

لیپوزومها وزیکولهای کروی هستند که با آبپوشی سورفکتانتهایی مانند فسفولیپیدها، تشکیل میشوند. مولکلهای فسفولیپید بهصورت صفحههایی منظم میشوند، با پیوستن دم آبگریز این صفحهها به همدیگر، یک غشای دولایهای تشکیل میدهند و مقداری آب در داخل وزیکول فسفولیپیدی به دام میافتد. لیپوزومها حاملهای انعطافپذیری هستند که به طور همزمان قابلیت حمل هر دو نوع مواد هیدروفیل - در داخل وزیکول - و هیدروفوب - در داخل غشای دولایهای - را دارند و نیز قابلیت هدفمندسازی3 را دارند[8]؛ اما در حال حاضر هزینه بالا، ظرفیت بارگیری کم، نشت ماده زیستفعال حمل شده، پایداری کم و رهایش سریع معایب عمده این سیستم حامل هستند.[17] بنابراین، کاربرد این نانوحامل ممکن است باعث افزایش ارزش افزوده و ناپایداری سیستم غذایی در حین انبارداری میشود.

نانوامولسیون نوعی از امولسیون است که میانگین شعاع ذرات پراکنده آن در محدوده 10-100nm است. برخلاف امولسیون معمولی - میانگین شعاع ذرات پراکنده - 100nm <، نانوامولسیون و میکروامولسیون از لحاظ نوری شفاف یا نیمهشفاف هستند؛ ذرات آنها در مقایسه با امولسیون معمولی نسبت به تجمع - آمیختن و به هم چسبیدن - و جداشدن ناشی از نیروی جاذبه پایداری زیادی دارند؛ انحلالپذیری مواد لیپوفیل را در فاز آبی ممتد افزایش میدهند و نیز زیستدستیابی مواد زیستفعال را افزایش میدهند. همچنین، نانوامولسیونها قابلیت تولید در مقیاس وسیع دارند. اما حساس به استوالد رایپنینگ هستند[6]، راندمان ریزپوشینهدار کردن کمی دارند، کنترل رهایش در آنها بهدلیل حالت مایع لیپید حامل مشکل است. علاوه بر این، پایداری شیمیایی نانوامولسیون کم است.

مهمترین اختلاف بین نانوامولسیون و میکروامولسیون این است که دومی از لحاظ ترمودینامیکی پایدار است. میکروامولسیون مزایای نانوامولسیون را داراست، بهراحتی تولید میشود و همانند نانوامولسیون نیاز به روشهای انرژیبر ندارد. اما، طبیعت پیچیدهای دارد و در تولید آن به روش دقیق، سورفکتانتها و کوسورفکتانتهای سنتزی غیرغذایی با غلظت زیاد و روغنهای خاص نیاز است، تحت تغییر در شرایط محیطی - مانند دما و ترکیب - ناپایدار میشود[6] و گنجاندن مولکلهای لیپوفیل بزرگ در داخل ذره با حفظ انحنای نرمال لایه سورفکتانت اغلب مشکل است.[2] همچنین حذف و یا جایگزین کردن الکلهای موردنیاز برای تولید آن با سورفکتانتها و کوسورفکتانتهای غذایی طوری که نانوحامل پایدار بماند، مسئلهساز است.[1] بنابراین، در حال حاضر این معایب کاربرد میکروامولسیون را بهعنوان یک سیستم حامل موثر در صنایع غذایی محدود میکند.

اگر در تولید نانوقطرههای یک نانو/میکرو-امولسیون از فازیپیدیل استفاده شود که در دمای اتاق/بدن کاملاً جامد شود سیستم حامل SLN نام دارد که ساختار بلورین منظمی دارد و در آن ماده فعال بخشی از شبکه چربی را تشکیل میدهد. SLN مزایای ذرات پلیمری، لیپوزوم و امولسیون را دارد و بعضی از معایب آنها را رفع میکند. جنبش مولکل فعال با تغییر دادن حالت فیزیکی شبکه چربی SLN قابل کنترل است. مواد فعال در این حامل سرعت انتشار بسیارکمی دارند و بنابراین رهایش طولانیمدت4 با آن قابل حصول است. قابلیت کنترل رهایش دارو، داشتن راندمان پوشینهدار کردن بالا، افزایش پایداری ماده زیستفعال یا دارو مهمترین مزایای پیشنهادی برای SLN است با این وصف مهمترین معایب SLN داشتن ظرفیت بارگیری پایین ماده زیستفعال و بیرون رانده شدن دارو بعد از انتقال چندریختی چربی - بلور - در طی نگهداری است[7] که منجر به رهایش انفجاری میشود. این معایب، استفاده از SLN بهعنوان یک سیستم حامل موثر برای بسیاری از کاربردهای غذایی را نامناسب میکند.

در اواخر دهه 1990 سیستم NLC برای برطرف کردن معایب SLN توسط مولر و همکارانش ابداع شد. فرمدل NLC یک SLN تغییریافته است که در آن بخشی از لیپید جامد - چربی - با لیپید مایع - روغن - جایگزین شده است و فاز لیپیدی در دمای اتاق حاوی چربی و روغن است. فرمدل NLC، یک نانوپراکنش لیپیدی است که در آن نانوذرات لیپیدی بهطور کامل متبلور نیستند و شبکه چربی نامنظمی دارند یا حالت جامد بیشکل دارند. وجود روغن در شبکه چربی NLC باعث افزایش ظرفیت بارگیری دارو میشود و نیز ازآنجایی که ذرات روغن در داخل ماتریکس چربی پوشینهدار شدهاند امکان کنترل رهایش را نیز فراهم میکند.[19] بنابراین NLC معایب SLN را برطرف میکند و مزایای SLN و در نتیجه دیگر نانوحاملهای لیپیدی را دربر میگیرد. نانوحامل NLC در بدو ورود به صنعت غذا است و در بعضی از شرایط در مقایسه با نانوحاملهای لیپیدی دیگر، گزینه بهتری برای بهبود دادن پایداری شیمیایی، زیستدستیابی و کنترل رهایش اجزای لیپوفیل فراسودمند در غذاها و نوشیدنیهای شفاف/نیمهشفاف میباشد.[17]

-3 اجزای NLC

اجزای اصلی NLC آب، لیپید و مواد فعال در سطح است. نسبت چربی:روغن برای تولید NLC،ترجیحاً در محدوده 30:70 تا 0/1:99/9 است. الزاماتی که برای انتخاب یک فاز لیپیدی مناسب باید مدنظر قرار داد، شامل موارد زیر است: -1 حلالیت دارو در مخلوط لیپیدی زیاد باشد. یکی از مهمترین فاکتورهایی که ظرفیت بارگیری دارو را در لیپید تعیین میکند حلالیت آن در روغن است. -2 مولکلهای لیپیدهای مایع و جامد از لحاظ فضایی با هم ناسازگار باشند؛ به این معنی که روغن حتیالامکان در شبکه چربی شرکت نکند و حلالیت بلورهای چربی در روغن نیز ناچیز باشد. علاوه براین، چربی و روغن در نسبتی که به کار برده میشوند، باید امتزاج پذیر باشند[15 ,14 ,11 ,4]؛ یعنی وقتیکه لیپیدها در دمای بالا ذوب و با هم کاملاً مخلوط شدند، بعد از سرد کردن تشکیل یک فاز همگن بدهند و تفکیک فاز در آن مشاهده نشود. -3 فاز لیپیدی پایداری بالایی به تخریب شیمیایی داشته باشد؛ مانند اکسیداسیون و هیدرولیز. -4 فاز لیپیدی زیستتخریبپذیر باشد و قابلیت ایجاد ذرات پایدار در مقیاس نانو را داشته باشد. -5 مخلوط لیپیدی سمی نباشد و هیچ ماده سمی در حین تولید NLC به جا نگذارد.[9]

تریگلیسریدهای زنجیره متوسط - MCT - 5 و اسید اولئیک مهمترین لیپیدهای مایع استفاده شده، هستند. MCTعمدتاً متشکل از اسیدهای چرب اشباع کاپریلیک - - %80-50 و کاپریک - - %50-20 است و تقریباً در دمای 0 C منجمد میشود و در لیست مواد GRAS است. MCT نقش امولسیفایری و تعلیقکنندگی نیز دارد.[16] اسید اولئیک به عنوان امولسیفایر در غذاها و فرمدلهای دارویی استفاده میشود و تقریباً در دمای 4 C منجمد میشود و در لیست GRAS است.[16] روغنهای خوراکی نیز مانند روغنهای ذرت، سویا و آفتابگردان نیز به عنوان لیپید مایع در چندین مطالعه برای تولید NLC استفاده شدهاند. مهمترین لیپیدهای جامدی که برای تولید فرمدل NLC استفاده شدهاند شامل گلیسریلبهنات، گلیسریلپالمیتواستئارات، منواستئارین، ستیل پالمیتات و اسید استئاریک است؛ غیر از ستیل پالمیتات بقیه موارد GRAS هستند و برای استفاده در غذا مجاز هستند.[17]

سورفکتانتهای کوچک مولکل، فسفولیپیدها، پروتئینها و پلیساکاریدها رایجترین امولسیفایرها در صنایع غذایی هستند. تاکنون فرمدلهای NLC که بهتنهایی با بیوپلیمرها پایدار شده باشند، تولید نشده است. این عمدتاً بهدلیل قابلیت سورفکتانتها به ایجاد نانوامولسیون بهصورت خودبخودی در روشهای تولید با انرژی-پایین است و نیز به دلیل چسبیدن سریع آنها به سطح ریزقطره و کاهش دادن کشش بینسطحی در روشهای تولید با انرژی-بالا است.[6] با این وصف، استفاده از بیوپلیمرها بهعنوان امولسیفایر در فرمدل NLCنیاز به مطالعه بیشتر دارد. معمولاً مخلوطی از سورفکتانت-های محلول در آب و محلول در روغن برای تولید NLC استفاده شدهاند. توین 80، لستین و پولوزامر 6188 رایجترین سورفکتانتهای استفاده شده برای تولید NLC هستند. توین 80 یک سورفکتانت غیریونی است و حداکثر دریافت روزانه قابل قبول آن 25 میلیگرم به ازای هر کیلوگرم وزن بدن است. لستین در لیست مواد GRAS است. پولوزامر 188 یک سورفکتانت غیریونی است و جزء لیست اجزای غیرفعال در سازمان غذا و دارو است.اجزای دیگری مانند نگهدارندهها - مثل مواد آنتیاکسیدان و ضدمیکروب - ، کوسورفکتانتها و کوحلالها - 7مثل گلیسرول - و حلکنندهها - 8مثل Transcutol و - PEG 400 ممکن است در تولید NLC استفاده شوند.

-4 تولید NLC

روشهای تولید NLC مشابه روشهای تولید SLN است. روشهای مختلفی در منابع برای تولید نانوذرات لیپیدی بهویژه SLN گزارش شده است مانند هموژن کردن سرد یا داغ، روش میکروامولسیون، امولسیون کردن- تبخیر حلال، امولسیون کردن-انتشار حلال، تزریق یا جابجایی حلال، روش انعکاس فاز و روش امولسیون چندگانه. هموژن کردن داغ عمدهترین روش استفاده شده برای تولید SLN و NLC است. این روش در مقایسه با روش-های دیگر مزایای زیادی دارد - مانند راحتی تولید در مقیاس وسیع، عدم استفاده از حلالهای آلی و زمان تولید کوتاه - .[13] از آنجایی که روشهای