Influence of Charge Distribution and Structure of Pectin on Bioaccessibility of Curcumin Loaded in Pectin-based Emulsions

Abstract

펙틴은 젤화제, 증점제, 유화제 등으로 이용되는 다기능성 고분자물질로 메틸화 수준(DM)과 분자량에 따라 기능적 특성이 달라진다. Pectin methylesterase (PME) 효소 처리를 통해 탈 메틸화한 펙틴은 분자량이 유지되며, 규칙적으로 탈 메틸화되어 블록을 가지게 된다. 최근 펙틴의 DM과 분자량뿐만 아니라, 탈 메틸화 영역의 규칙성이 야기하는 블록 또한 펙틴의 기능적 성질에 영향을 미친다는 것이 알려졌다. 이 연구에서는 펙틴의 단일유화제로서 활용 가능성을 확인하고, 펙틴이 가진 다양한 구조의 결정 인자에 따라 달라지는 분산계 내에서 작용 방식을 분석하고자 하였다. 펙틴의 종류 및 기름 함량에 따라 오일 입자의 크기 및 분포도, 소화과정에서 나타나는 변화, 유지 분해율, 그리고 커큐민의 생체 접근율을 조사하였다. 특히 DM 비교에 한정되었던 이전 연구들의 한계에서 벗어나 블록과 분자량을 종합적으로 고려하여 비교 분석하였다. 상업용 고메톡실펙틴 (CP72

DM=72, CP50

DM=50), 상업용 저메톡실펙틴 (CP7

DM=7), PME 변형 펙틴(MP50

DM=50)을 유화제로 사용하여 1% 와 3% 카놀라 기름을 함유하는 유화액을 제조하였다. 기름의 함량이 증가함에 따라 초기 에멀션 입자 크기가 증가하였으나, 펙틴의 종류에 따른 유의적인 차이가 없었다 (p > 0.05). CP72 에멀션은 가장 낮은 제타포텐셜 값을 나타내었고, MP50 에멀션은 같은 DM을 가지는 CP50 에멀션에 비해 큰 제타포텐셜 값을 보였다. 이는 블록이 야기하는 규칙적인 전하의 분포에 의한 것으로 추정된다. 소화를 마친 후, CP72와 CP50 에멀션은 초기 입자의 구조를 안정하게 유지하였으나, MP50과 CP7 에멀션은 합체와 응집을 보였다. 하지만 CP72는 뛰어난 에멀션 안정화능을 보였음에도 불구하고, CP7과 유사한 정도의 낮은 유지 분해율을 나타내었다. 이에 비해, MP50 에멀션은 높은 유지 분해율을 보임과 동시에 우수한 커큐민 생체 접근율을 보였다. 이는 MP50에 형성된 블록이 규칙적인 배열로 오일 입자에 흡착하도록 야기하면서, 효소가 침투할 공간을 형성하고 있음을 시사하였다. CP50은 MP50과 같은 DM 및 분자량을 가짐에도 불구하고, 빠른 유지 분해 속도로 인해 커큐민의 생체 접근율이 낮았다. 이러한 결과는 펙틴의 DM뿐만 아니라 탈 메틸화의 규칙성과 유지 분해 속도 또한 커큐민의 마이셀화에 영향을 미친다는 것을 시사하였다. 또한 펙틴을 유화제로 사용하였을 때, 펙틴의 구조적 특징 및 전하의 분포도가 에멀션의 안정성과 지용성 생리활성물질의 생체 접근율에 영향을 미침을 의미하였다. 블록 형태로 탈 메틸화되어 규칙적인 전하 분포를 가지는 펙틴은 불규칙적으로 탈 메틸화된 펙틴에 비해 높은 커큐민 생체 접근율을 나타내었고, 고메톡실펙틴에 비해 높은 유지 분해율을 보였다. 따라서 지용성 생리활성물질을 효과적으로 체내로 전달하는 물질전달 소재로의 가능성을 시사하였다. 소비자들의 천연 유화제에 대한 선호도가 증가함에 따라 식물 내 존재하는 생분해성 고분자인 펙틴은 식품 산업에서 폭넓게 이용될 수 있는 우수한 다기능성 소재임을 확인하였다.

Pectin is an important functional material in the food industry as a gelling agent, a viscosity modifier, and an emulsifier. Recent studies revealed that not only the degree of methylesterification (DM) but also the charge distribution of unmethylesterified region has great impacts on functional properties of pectin. The objectives of this study were to access the potentials of pectin as a mono-emulsifier, and to investigate the influence of pectin type and oil concentration on physicochemical properties, lipid digestibility, and in vitro curcumin bioaccessibility in emulsions stabilized by pectin as an emulsifier. Commercial high methyl-esterified pectin (CP72

DM=72), medium methyl-esterified pectin (CP50

DM=50), and low methyl-esterified pectin (CP7

DM=7) were used as emulsifiers. MP50 (DM50) having consecutive demethylesterified galacturonic acid residues were prepared by enzymatic demethylesterification of CP72 using pectin methylesterase from papaya to induce differed charge distribution to CP50 while having the same DM. Emulsions containing 0.015 mg of curcumin with 1% or 3% (w/w) oil were prepared by emplying a homogenizer and a microfluidizer consecutively. The initial oil droplet size was clearly increased in accordance to the oil concentration

however, no significant difference (p>0.05) was observed among pectin types. CP72 emulsion showed the lowest surface electrical charge at both oil concentrations. MP50 emulsion displayed a more negative electrical charge than CP50 emulsion did, and this might be attributed to the ordered distribution of galacturonic acid residues with carboxylic groups. After in vitro mouth and gastric digestion, CP72 and CP50 emulsions retained their initial droplet structure, whereas MP50 and CP7 emulsions displayed coalescence and bridging flocculation during digestion. Although CP72 emulsion showed great emulsion stability due to a more proportion of methylesterified galacturonic acid having hydrophobic character, it displayed a low degree of final lipid digestion similar to CP7 emulsion. In contrast, MP50 emulsion revealed a high degree of final lipid digestion and high bioaccessibility of curcumin as well. Because of the consecutively demethylesterified galacturonic acid residues, MP50 might adsorb onto the oil droplet with regular arrangement resulting in geometrically empty space within the clusters. Even though CP50 has the same DM and Mw as MP50, it exhibited a low bioaccessibility of curcumin which might be contributed to the fast lipid digestion profiles. It is thus suggested that curcumin micellarization might be related to the lipid digestion profile and the charge distribution of pectin as well as DM. These observations implied that the emulsion stability and bioaccessibility of lipophilic neutraceuticals could differ depending on the molecular features and the charge distribution of pectin emulsifiers. Emulsion stabilized by pectin with consecutive negative charges displayed lipid digestion to a greater extent compared to high methoxyl pectin, and even a higher in vitro bioaccessibility of curcumin compared pectin with random electrical charges, suggesting a potential as a carrier of lipophilic nutraceuticals in human digestive system. It is thus manifested a great potential of pectin as an emulsifier for the food industry because pectin is a biodegradable compound naturally present in plants and preferred over artificial emulsifiers by consumers.