Synthesis and characterization of prebiotic composite struvite/kappa-carrageenan

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A struvite / kappa-carrageenan composite was synthesized from an aqueous solution of a polysaccharide and inorganic precursors. The phase, elemental composition and sizes of composite particles in an aqueous colloidal solution have been studied by X-ray phase analysis, X-ray energy dispersive analysis, and dynamic light scattering. It has been shown that this promising prebiotic composite is capable of producing diffusion-mobile aqueous colloidal solutions with varying degrees of association of structural elements, which is convenient for use in biomedicine.

Full Text

Введение

Полисахариды как наиболее распространенные органические полимеры на Земле находят все более широкое применение как в ставших уже традиционными пищевой [1, 2], текстильной [3–5] и пороховой [6] промышленностях, так и в комплексных гликотехнологиях [7–11]. В результате на основе полисахаридов создаются востребованные многоцелевые водорастворимые магнитные гликокомпозиты [12, 13], хиральные и хироплазмонные материалы [14–16], водорастворимые оптически активные нанодисперсные катализаторы [17], высокоэффективные антимикробные нанодисперсные субстанции [18–20], в том числе, с необходимым для хирургии сочетанием антимикробного и антитромботического эффектов [21], контрасты для магниторезонансной визуализации [22, 23], регуляторы регенерации тканей при травме [24], антиоксиданты с гепатопротекторным эффектом [25, 26], средства многоканальной тераностики онкозаболеваний [27], препараты для комплексного оздоровления сельскохозяйственных культур [28–33].

Пребиотические бета-полисахариды являются также естественными волокнами пищи и обладают способностью стимулировать полезную микробиоту животных и человека вследствие того, что бета-гликозидные связи этих биополимеров не расщепляются в верхних отделах желудочно-кишечного тракта ферментными системами организма-хозяина. Однако такие полисахариды легко расщепляются и эффективно усваиваются в его нижних отделах находящейся там полезной микробиотой [34–37]. Ранее кратко, без деталировки строения композитной субстанции, было показано [38], что привнесение в макромолекулы пребиотического полисахарида красных водорослей каппа-каррагинана мультиэлементных (азот, фосфор, магний) нанокристаллов минерала струвит (гексагидрат двойной соли фосфата аммония–магния NH4MgPO4 ∙ 6H2O) может резко увеличивать (примерно в два раза) пребиотическую активность этого полисахарида [38].

Настоящая работа посвящена синтезу и охарактеризации перспективного пребиотического композита струвит/каппа-каррагинан как в твердой фазе, так и в водном коллоидном растворе.

Экспериментальная часть

Для синтеза композита к водному раствору каппа-каррагинана (в виде коммерчески доступной калиево-натриевой соли этого сульфатированного полисахарида) при интенсивном перемешивании добавляли последовательно водные растворы сульфата магния, хлорида аммония и гидрофосфата натрия. Полученную реакционную смесь перемешивали в ечение 30 мин при комнатной температуре и выливали в четырехкратный избыток этилового спирта. Выпадающий осадок композита отфильтровывали, промывали на фильтре этиловым спиртом и высушивали при комнатной температуре до постоянного веса. Получали белый порошок, способный к редиспергации в воде с образованием коллоидного раствора.

Композит охарактеризовывали методом рентгенофазового анализа (РФА) на дифрактометре модели STOE STADI MP производства фирмы STOE (Germany) с использованием излучения Cu(Kα), λ = 1.54060 Å, рабочего режима генератора 40 кВ/40 мА, германиевого монохроматора с ориентацией (111), линейного полупроводникового детектора модели DECTRIS MYTHEN 1K производства фирмы Dectris (Switzerland) и геометрии эксперимента “на просвет”. Элементный состав композита устанавливали методом рентгеновского энергодисперсионного анализа (РЭДА) с использованием энергодисперсионной приставки модели AzTec One производства фирмы Oxford Instruments Analytical (Great Britain) в комплекте к сканирующему электронному микроскопу модели FlexSEM1000 II производства фирмы Hitachi (Japan). Распределение композитных частиц по размерам в водном коллоидном растворе получали методом динамического рассеяния света с использованием анализатора модели Zetasizer Nano ZS производства фирмы Malvern Instruments Ltd (Great Britain).

Результаты и их обсуждение

Согласно данным РФА, полученный сухой порошкообразный композит в качестве основной кристаллической фазы содержит минерал струвит, в качестве минорной примесной фазы — гидрофосфат магния, а также рентгеноаморфный полисахаридный биополимер каппа-каррагинан (рис. 1). Судя по практически не уширенным рефлексам, композит содержит кристаллические фазы с достаточно большими областями когерентного рассеяния (крупные частицы).

 

Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма полученного композита.

 

В рентгеноэмиссионном спектре РЭДА (рис. 2, табл. 1) наиболее интенсивной является линия кислорода, входящего как в состав каппа-каррагинана, так и струвита. Имеются линии углерода, калия, натрия, серы, входящих в состав каппа-каррагинана (исходной калиево-натриевой соли этого сульфатированного полисахарида), а также линии азота, магния, фосфора, входящих в состав струвита. В качестве малоинтенсивной минорной линии наблюдается линия алюминия, очевидно, от подложки электронного микроскопа.

 

Рис. 2. Рентгеновский эмиссионный спектр полученного композита.

 

Таблица 1. Содержание химических элементов в полученном нанокомпозите по данным рентгеновского энергодисперсионного анализа

Элемент

Тип линии

Процентное содержание элементов

вес. %

атом. %

C

K-серия

37.96

48.25

O

K-серия

42.14

40.21

P

K-серия

2.29

1.13

S

K-серия

4.58

2.18

K

K-серия

7.00

2.73

Mg

K-серия

1.45

0.91

Na

K-серия

0.84

0.56

N

K-серия

3.66

3.99

Al

K-серия

0.08

0.05

Всего

 

100.00

100.00

 

По данным метода динамического рассеяния света в водном коллоидном растворе композита имеется очень малое количество отдельных макромолекул каппа-каррагинана, очевидно, с инкапсулированными в них кристаллами струвита с общим средним гидродинамическим радиусом около 200 нм. Вероятно, эти композитные частицы объединены в более представительную светорассеивающую фракцию ассоциатов с гидродинамическими радиусами в 250–400 нм, а также в еще более крупную и наиболее светорассеивающую фракцию с гидродинамическими радиусами 1000–2250 нм (рис. 3).

 

Рис. 3. Распределение по размерам гидродинамических радиусов полученных композитных частиц.

 

Выводы

Таким образом, легко получаемый в воде перспективный пребиотический мультиэлементный (С, N, P, K, S, Mg) композит струвит/каппа-каррагинан способен давать водные диффузионно-подвижные коллоидные растворы с разной степенью ассоциации структурных элементов, что удобно для применения в биомедицине.

Исследования методом порошковой рентгеновской дифракции выполнены на оборудовании кафедры ХТТ ФЕН НГУ, спектральные и аналитические измерения проведены с использованием приборов Химического исследовательского центра коллективного пользования СО РАН, данные динамического рассеяния света получены на оборудовании Центра генетических ресурсов лабораторных животных ИЦиГ СО РАН.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российским научным фондом (грант № 22-25-00859).

×

About the authors

T. V. Kon’kova

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: boris_sukhov@mail.ru
Russian Federation, Novosibirsk

N. V. Klushina

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: boris_sukhov@mail.ru
Russian Federation, Novosibirsk

A. V. Romashchenko

Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: boris_sukhov@mail.ru
Russian Federation, Novosibirsk

E. A. Losev

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk National Research State University; Boreskov Institute of Catalysis, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: boris_sukhov@mail.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk; Novosibirsk

A. D. Vedeeva

Novosibirsk State Pedagogical University

Email: boris_sukhov@mail.ru
Russian Federation, Novosibirsk

B. G. Sukhov

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: boris_sukhov@mail.ru
Russian Federation, Novosibirsk

References

  1. Wedamulla N.E., Wijesinghe W.A.J.P. // Trends Carbohydr. Res. 2021. V. 13. № 2. P. 35;
  2. Lovegrove A., Edwards C.H., De Noni I. et al. // Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2017. V. 57. № 2. Р. 237; https://doi.org/10.1080/10408398.2014.939263
  3. Pathak H., Prasad A. // J. Textile Sci. Eng. 2014. V.4. № 6. P. 172; https://doi.org/10.4172/2165- 8064.1000172
  4. Srivastava R.K., Sushant P., Sathvik A.S. et al. Food, Medical, and Environmental Applications of Polysaccharides. Elsevier, 2021. P. 511; https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819239-9.00022-1
  5. Fernandes M., Padrao J., Ribeiro A. I. et al. // Nanomaterials (Basel). 2022. V. 12. № 6. P. 1006; https://doi.org/10.3390/nano12061006
  6. Shelton M.C. // Kirk-Othmer Encycl. Chem. Techn. 2000. V. 5. P. 394.
  7. Della Rosa G., Ruggeri C., Aloisi A. et al. // Poly saccharides. 2021. V. 2. Р. 311; https://doi.org/10.3390/ polysaccharides2020021
  8. El-Boubbou K., Huang X. // Curr. Med. Chem. 2011. V. 18. № 14. Р. 2060; https://doi.org/10.2174/092986711795656144
  9. Trofimov B.A., Sukhov B.G., Aleksandrova G.P. et al. // Doklady Akademii Nauk. 2003. V. 393. P. 634.
  10. Lesnichaya M.V., Shendrik R.Yu, Sukhov B.G. // J. Lumin. 2019. V. 211. P. 305; https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.03.056
  11. Lesnichaya M., Sukhov B., Shendrik R. et al. // IET Nanobiotechnol. 2020. V. 14. No 6. P. 519; https://doi.org/10.1049/iet-nbt.2020.0023
  12. Blachowicz T., Ehrmann A. // Appl. Sci. 2021. V. 11. № 16. P.7510; https://doi.org/10.3390/app11167510
  13. Uthaman S., Lee S.J., Cherukula K. et al. // BioMed Res. 2015. P 14; https://doi.org/10.1155/2015/959175
  14. Ikai T. // Polym. J. 2017. V. 49. № 4. Р. 355; https://doi.org/10.1038/pj.2016.123
  15. Ding P., Chang B., Qing G. et al. // Sci. China Chem. 2014. V. 57. № 11. Р. 1492; https://doi.org/10.1007/s11426-014-5206-8
  16. Lesnichaya M.V., Sukhov B.G., Aleksandrova G.P. et al. // Carbohydr. Polym. 2017. V. 175. P. 18; https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.07.040
  17. Trofimov B.A., Sukhov B.G., Nosyreva V.V. et al. // Dokl. Chem. 2007. V. 417. P. 261.
  18. Zong T.-X., Silveira A.P., Morais J.A.V. et al. // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 1. P. 1855; https://doi.org/10.3390/ nano12111855
  19. Mamun M.M., Sorinolu A.J., Munir M. et al. // Front. Chem. 2021. V. 9. P. 687660; https://doi.org/10.3389/fchem.2021.687660
  20. Ermini M.L., Voliani V. // ACS Nano. 2021. V. 15. P. 6008; https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10756
  21. Ganenko T.V., Kostyro Ya.A., Sukhov B.G. et al. Silver nanocomposite based on sulfated arabinogalactan with antimicrobial and antithrombotic activity, and method for its preparation // Patent of Russia. 2012. № 2462254.
  22. Aleksandrova G.P., Grishchenko L.A., Bogomyakov A.S. et al. // Russ. Chem. Bull. 2010. V. 59. P. 2318. https://doi.org/10.1007/s11172-010-0394-7
  23. Petrova M.V., Kiryutin A.S., Savelov A.A. et al. // Appl. Magn. Res. 2011. V. 41. P. 525; https://doi.org/10.1007/s00723-011-0241-5
  24. Shurygina I.A., Rodionova L.V., Shurygin M.G. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2015. V. 79. № 2. P. 256. https://doi.org/10.3103/S1062873815020276
  25. Kolesnikova L.I., Karpova E.A., Vlasov B.Ya. et al. // Bull. Exp. Biol. Med. 2015. V. 159. № 2. P. 225. https://doi.org/1007/s10517-015-2928-3
  26. Lesnichaya M.V., Karpova E.A., Sukhov B.G. // Coll. Surf. B. BioInterf. 2021. V. 197. № 111381; https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2020.111381
  27. Sukhov B.G., Ganenko T.V., Pogodaeva N.N. A drug with antitumor activity based on nanobiocomposites of selenium and arabinogalactan and methods for obtaining such nanobiocomposites // Patent of Russia. 2017. № 2614363.
  28. Perfilyeva A.I., Nozhkina O.A., Graskova I.A. et al. // Russ. Chem. Bull. 2018. V. 67. P. 157. https://doi.org/10.1007/s11172-018-2052-4
  29. Papkina A.V., Perfi l’eva A.I., Zhivet’ev M.A. et al. // Dokl. Biol. Sci. 2015. V. 461. P. 239. https://doi.org/10.1134/S001249661501010X
  30. Papkina A.V., Perfileva A.I., Zhivetyev M.A. et al. // Nanotech. Russ. 2015. V. 10. P. 484. https://doi.org/10.1134/S1995078015030131
  31. Perfileva A.I., Tsivileva O.M., Nozhkina O.A. et al. // Nanomaterials. 2021. V. 11. № 9. P. 2274; https://doi.org/10.3390/nano11092274
  32. Perfileva A.I., Nozhkina O.A., Ganenko T.V. et al. // Intern. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 9. P. 4576; https://doi.org/10.3390/ij ms22094576
  33. Perfileva A.I., Graskova I.A., Sukhov B.G. et al. // Agronomy. 2022. V. 12. № 6. P. 1281; https://doi.org/10.3390/agronomy12061281
  34. Ötle S. Probiotics and Prebiotics in Food, Nutrition and Health / Boca Raton: CRC Press Tailor and Francis Group, 2013.
  35. Sukhov B.G., Pogodaeva N.N., Kuznetsov S.V. // Rus. Chem. Bulletin. 2014. V. 63. P. 2189. https://doi.org/10.1007/s11172-014-0718-0
  36. Shabanova N.M.,. Dzhioev Yu.P, Bukharova E.V. et al. // Bull. East-Sib. NTs SO RAMS. 2014. V. 99. P. 72.
  37. Yurinova G.V., Selivanova D.S., Pristavka A.A. et al. // Izv. VUZov. Appl. Chem. Biotechnol. 2014. V. 9. P. 90.
  38. Lesnichaya M.V., Sukhov B.G., Sapozhnikov A.N. et al. // Dokl. Chem. 2014. V. 457. P. 546. https://doi.org/10.1134/S0012500814080023

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. X-ray diffraction pattern of the resulting composite.

Download (169KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. X-ray emission spectrum of the resulting composite.

Download (137KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Size distribution of hydrodynamic radii of the resulting composite particles.

Download (67KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».