Study on stability of curcumin-loaded filled hydrogel prepared using 4αGTase-treated rice starch

Abstract

Curcumin is a primary natural polyphenol compound with antioxidant, anti-inflammatory, and anticancer properties. However, the application of curcumin is severely limited due to its low water solubility (11ng/mL) and bioavailability, and chemical instability to UV light and high temperature. In this study, filled hydrogels (1GS-FH, 24GS-FH, and 96GS-FH) by adding 4αGTase-treated rice starch (GS) prepared by treating rice starch with 4-α-glucanotransferase (4αGTase) for 1 h (1GS), 24 h (24GS), and 96 h (96GS) in aqueous phase of a curcumin-loaded emulsion. Emulsion (without adding any starch gel, EM) and native rice starch-based filled hydrogel (RS-FH) were prepared as control groups. The physicochemical properties of GS were analyzed first. GS showed decrease of molecular weight and a more gradual and flat chain length distributions in high-performance size exclusion chromatography (HPSEC) and high-performance anion exchange chromatography (HPAEC) analysis. In the texture profile analysis test, hardness of GS-FH decreased as enzyme treatment time increased. Moreover, the curcumin protection effects of FH system were evaluated through UV stability (for 7 h), heat stability (for 24 h) and simulated gastrointestinal study in comparison with RS-FH and EM. The UV stabilities and curcumin retention after in vitro digestion of the FH samples were more improved than EM samples. RS-FH indicated 2.28-fold improved UV stability than EM due to the highest viscosity of RS. 1GS-FH, 24GS, and 96GS-FH increased curcumin retention by 2.31-, 2.45-, and 2.60-fold, respectively, and the microstructure of 96GS-FH using a confocal laser microscopy remained stable even after the stomach phase. For bioavailability measurements, the curcumin concentrations in all samples were extremely low, so accurate measurements could not be possible. Meanwhile, UV and heat stabilities of FH after freeze-drying (FH') was less effective than EM after freeze drying (EM'). However, FH' (especially GS-FH') still increased curcumin retention after in vitro digestion system. These effects may be attributed to the molecular structure of GS with smaller cyclic glucan and amylopectin cluster by modifying the molecular length and molecular weight of amylose and amylopectin. The encapsulation of lipids within the GS hydrogel particles served advantageously to protect and deliver the curcumin component, suggesting that GS-FH can be applied to gel-type food products that improve the chemical stability of curcumin.

커큐민 (Curcumin)은 curcuma longa의 뿌리에서 유래하는 천연 폴리페놀 화합물로 항암, 항염 및 항산화 효과 등의 생리활성을 지니고 있어 식품, 제약 등 여러 분야에서 널리 쓰이고 있다. 하지만 물에 대한 용해도가 매우 낮고 (약 11ng/ml), 자외선 및 온도 등의 외부 환경에 의해 쉽게 분해되기 때문에 낮은 생체이용률을 가진다. 그러므로 식품산업에서 커큐민을 활용함에 있어 제약이 된다. 이러한 커큐민의 낮은 용해도와 화학적 불안정성을 개선시키기 위해 나노에멀젼, 나노젤 등의 시스템을 통해 커큐민을 캡슐화하는 연구들이 진행되어왔다. 특히 수상층 내에 유화제로 둘러싸인 유상층으로 구성된 이중층의 에멀젼 시스템은 커큐민이 특정한 외부 자극에 따라 적절한 시점에서 방출될 수 있도록 하여 생체이용률을 향상시키기 위한 방안으로 널리 연구되었다. 그러나, 이러한 O/W 에멀젼은 열에 매우 불안정하며, 특정 환경에 노출되었을 때 시간에 따라 분해되기 쉬운 단점을 지닌다. 그러므로 최근에는 O/W 에멀젼의 점도를 높이고 젤네트워크를 형성하여 에멀젼의 안정성을 향상시키기 위하여 다당류를 에멀젼의 수상층에 첨가하는 연구들이 진행되고 있다. 이러한 형태의 에멀젼을 O/W1/W2 에멀젼이라고 하며 수상층에 분산된 하이드로젤 입자들이 지방구를 둘러싸고 있는 형태를 일컫는다. 따라서 무독성, 생체적합성을 지닌 다당류 기반 하이드로젤은 3차원 네트워크 구조를 형성하여 생리활성화합물의 운반체 역할로 활용될 수 있다. 수상층에 첨가될 수 있는 다당류의 한 종류로 쌀 전분을 들 수 있는데, 이 쌀 전분에 Thermus Aquaticus 4-a-glucanotransferase (4aGTase) 처리를 하여 변화된 물리화학적 특성을 지닌 효소처리 전분 기반 필드하이드로젤에 관한 연구가 아직 진행되지 않았다. 따라서, 본 연구는 4aGTase 처리 쌀 전분을 커큐민이 포접된 에멀젼의 수상층에 첨가하여 커큐민의 안정성과 생체이용률 향상을 증대시키는 것을 목적으로 한다. 쌀 전분이 첨가되지 않은 에멀젼과 비효소처리 쌀 전분 기반 하이드로젤을 비교군으로 정하였다. 먼저, 4aGTase 처리 전분의 다양한 물리화학적 특성을 분석하였다. 쌀 전분을 1시간, 24시간 및 96시간 동안 각각 처리한 후에 평균 분자량 분포 (HPSEC), 사슬 길이 분포 (HPAEC), Rheological properties, 점도 특성, Granular morphology (SEM), Starch crystallinity (XRD), 그리고 Iodine absorption capacity을 분석하였다. 평균 분자량 분포는 효소처리시간이 길어질수록 그 값이 작아졌으며 96시간 처리 시엔 fraction Ⅱ에서 가장 높은 분자량의 피크가 2.12× 105 g/mol 에서 2.28 × 104 g/mol로 이동하였고 fractionⅠ은 대체로 감소하였다. 이는 4aGTase의 dispropornation reaction 작용에 기인한 것으로 생각된다. 사슬 길이 분포는 효소 처리 시간이 길어짐에 따라 B2와 B3 사슬의 비율이 높아졌다. 또한 steady-state flow 방법에 따른 점도 특성에서 효소처리전분은 비효소처리전분에 비해 효소 처리 시간에 따라 점도가 현저하게 낮았으며, 효소처리전분 모두 V 타입의 XRD peak를 나타냈다. 커큐민이 포접된 에멀젼에 전분을 첨가하여 제조한 필드하이드로젤의 젤 특성을 분석하기 위하여 TPA를 측정해본 결과, 효소처리쌀전분 기반 필드하이드젤의 hardness는 비 효소처리쌀전분 기반 필드하이드젤보다 낮았으며 효소처리시간과 비례하여 감소하였다. 효소처리 쌀 전분 기반 필드하이드로젤의 커큐민 보호효과를 검증하기 위하여 열, UV 안정성을 측정하였으며 in vitro 소화시스템을 활용하여 소화과정을 거친 후의 커큐민 보유량과 생체이용률을 확인했다. 열 안정성에서는 24시간 가열 후 전분이 첨가되지 않은 에멀젼이 17.72% 로 가장 높은 열 안정성을 나타냈다. 가열 시작 후 3시간까지의 열 안정성 추이를 비교하면, 비효소처리 쌀 전분 기반 필드하이드로젤의 열 안정성은 처음 10분 이내에 급격히 감소했고 30분 후에 약 5.68% 정도의 잔류량을 가졌다. 이에 반해 효소처리쌀전분 기반 필드하이드로젤은 가열 30분 후에 약 17.27%의 잔류량을 보였는데, 이는 앞선 비효소처리 쌀 전분 기반 필드하이드로젤보다 3.04배 높은 커큐민 열 안정성을 보였다. 필드하이드로젤의 UV안정성은 에멀젼 대비 최대 2.28배 향상되었다. 마지막으로 효소처리쌀전분 기반 필드하이드로젤의 in vitro 소화시스템을 거친 후의 커큐민 잔존량은 각각 80.2%, 85.0%, 그리고 90.1%로 커큐민 (34.7%), 에멀젼 (50.1%) 보다 유의적으로 높았다. 지방소화율의 경우 샘플 간의 유의미한 결과 차이는 나타나지 않았다. Confocal microscopy로 각 소화 단계 별 샘플 내의 지방구의 분포를 관찰해본 결과, 입 단계에서 에멀젼은 크기가 큰 coalescence가 나타났으나, 필드하이드로젤의 경우에는 flocculation만 나타났다. 위 단계에서도 에멀젼은 입 단계에서와 동일한 coalescence를 보였으며, 비효소처리 쌀 전분 기반 필드하이드로젤의 경우 flocculation과 지방구의 크기가 커진 coalescence가 나타났다. 효소처리쌀전분 기반 필드하이드로젤은 작은 크기의 coalescence가 나타난 것으로 보아 효소처리전분이 비효소처리전분보다 분자량이 작아 지방구 주위를 좀 더 촘촘하게 둘러싸 지방 분해와 관련된 효소 작용을 더디게 하여 에멀젼의 안정성을 높인 것으로 생각된다. 생체이용률 실험은 실험에 사용되는 샘플이 상당량 희석되어 사용되는데, 이로 인해 샘플 내의 상당히 낮은 농도의 커큐민이 함유되어 있어 정확한 측정이 어려운 것으로 나타났다. 따라서 이러한 결과로 미루어 보아 필드하이드로젤 시스템은 열 안정성에서 커큐민 보호효과가 나타나지 않으나 UV안정성과 in vitro 소화시스템과정에서는 향상된 커큐민 보호효과를 보였다. 특히 96GS로 만든 효소처리 쌀 전분 필드하이드로젤의 경우 in vitro 소화시스템과정에서 유의하게 높은 보호 효과가 나타났다. 따라서, 커큐민의 화학적 안정성 향상을 위한 생리활성물질전달시스템으로서 효소처리 쌀 전분 기반 필드하이드로젤의 적용가능성이 확인되었다.