Катехины под защитой: как ученые сохраняют полезные свойства антиоксидантов из зеленого чая

Как упаковать хрупкую молекулу так, чтобы она оказалась под надежной защитой и сохранила свои ценные свойства до момента использования? Об этом мы поговорили с младшим научным сотрудником лаборатории физико-химии полимерных композитных материалов ИХТТМ СО РАН Матвеем Дмитриевичем Яновским, автором исследования по инкапсуляции катехинов в полисахаридные матрицы.

— Матвей, какая цель изначально стояла перед вами: просто защитить катехины от разрушения или улучшить полезные свойства продуктов, в которые они добавляются?

— Изначальная цель была именно защитить катехины от деградации. Но в ходе работы стало понятно, что история сложнее. Катехин — это действующее вещество, которое нужно стабилизировать и сохранить его полезные свойства, а полисахариды — по сути, инструмент этой стабилизации, как бы защитный материал для катехинов на молекулярном уровне. Полисахариды широко используют в пищевой промышленности, в косметике и БАДах — это дешевые вещества, которые при этом хорошо берут на себя функцию защитного слоя. Обычно считается, что стабильность веществ растет при инкапсуляции потому, что внешний слой (как раз наши полисахариды) мешает кислороду попасть внутрь и разрушить молекулы. Мы, в свою очередь, пришли к важному выводу: стабилизация происходит не только потому, что полисахариды препятствуют кислороду, но и потому, что катехины химически связываются с полисахаридами. Чем сильнее это связывание, тем лучше защита.

— А что вообще происходит с катехинами, когда они деградируют? Они теряют активность при нагревании?

— Катехины обладают высокой антиоксидантной активностью, которая может быть полезна, например, для купирования последствий окислительного стресса в организме. Но при деградации они окисляются — например, просто на воздухе — и превращаются в другие вещества, уже лишенные этих свойств. По сути, мы теряем именно то, ради чего их и применяют.

— Почему объектом исследования стали именно катехины зеленого чая?

— Катехины встречаются не только в чае, но и во многих других природных плодах и растениях: в винограде, различных ягодах вроде ежевики, малины или смородины. Однако в зеленом чае их содержание заметно выше, чем, скажем, в черном. К тому же выделять их из зеленого чая ощутимо проще, чем, например, из винограда. Так что выбор был продиктован и концентрацией, и технологическим удобством. Но сами по себе катехины в чайном настое — штука довольно хрупкая: они чувствительны к кислороду, свету и нагреву. Поэтому важный следующий шаг — сделать из них стабильный продукт, который можно хранить, добавлять в еду, косметику, БАДы. И вот здесь уже вступает в игру технология, с помощью которой мы превращаем жидкую смесь катехинов и полисахаридов в удобный порошок.

— Расскажите подробнее о технологии распылительной сушки, которую вы используете. Что это за метод и как он помогает превращать жидкую смесь в порошок?

— Грубо говоря, распылительная сушка — это методика, при которой раствор, в нашем случае — раствор катехинов и полисахаридов, подается в прибор и через форсунку превращается в конус очень мелких капель. Чем-то похоже на пульверизатор, только капли еще мельче, а их размер и скорость вылета контролируются гораздо точнее. Затем эти капли захватываются в специальной камере циклоном горячего воздуха и буквально за одну-две секунды высыхают. В результате образуются частицы с несколько нестандартной морфологией: они получаются в форме деформированных сфер, причем полых внутри. Толщина стенки варьируется параметрами прибора: скоростью подачи раствора, температурой на входе, характеристиками форсунки. Именно в этих стенках — матрицах полисахаридов — и живут наши катехины в инкапсулированном виде (упаковка активных веществ в микрокапсулы).

— Вы использовали смесь двух полисахаридов — гуммиарабика и мальтодекстрина. Почему остановились именно на этих веществах и чем они дополняют друг друга?

— Начинали мы исключительно с мальтодекстрина, и выбор был во многом практический: он отлично растворяется в воде, стоит недорого, получают его из крахмала, и он уже повсеместно используется в пищевой промышленности как эмульгатор, подсластитель, стабилизатор, то есть у него уже существует серьезная применительная база. Гуммиарабик тоже применяется в пищевой промышленности с похожими целями, но по химико-физическим свойствам он совсем другой: его молекулярные цепи сильно разветвлены, он хуже растворяется в воде, его растворы более вязкие. Мы решили проверить: если до этого мы работали только с линейным полисахаридом — мальтодекстрином, то что произойдет, если взять полисахарид с принципиально иной структурой? Как он будет стабилизировать катехины? А как поведет себя их смесь (линейный и разветвленный полисахариды)? Отсюда и идея изучать не только их по отдельности, но и смеси разного состава.

— Почему для изучения связывания катехинов с полисахаридами вы выбрали именно флуоресцентный анализ? 

— В ходе исследования у нас появилась задача: найти способ как-то описать взаимодействие веществ и сравнить, с какими полисахаридами катехины связываются крепче, а с какими — слабее. Проблема в том, что напрямую увидеть это взаимодействие сложно, обычные методы здесь не работают. Поэтому мы и обратились к флуоресцентному анализу — чтобы посмотреть, как катехины взаимодействуют с каждым полисахаридом по отдельности, и как это связано с их последующей устойчивостью в инкапсулированном виде.

Суть метода простая: катехины способны светиться под действием ультрафиолета. Когда они связываются с полисахаридами, их свечение меняется — становится слабее и сдвигается по цвету. Это происходит потому, что молекула катехина, соединившись с полисахаридом, образует новую, более крупную структуру, которая светится уже по-другому. По тому, как сильно изменилось свечение, можно судить, насколько прочно вещества связались друг с другом. Мы изучали это в растворе — именно там катехины и полисахариды соединяются в комплексы, которые потом при сушке «замораживаются» в виде твердых микрокапсул. Результат исследования показал, что с гуммиарабиком катехины связываются значительно лучше, и именно это впоследствии дает им лучшую стабильность уже в составе твердых частиц.

— В своей работе вы показываете, что оптимальное соотношение мальтодекстрина к гуммиарабику оказалось 10:90. Почему именно такое отношение лучше защищает катехины?

— Наши данные флуоресцентного анализа показали, что химическое взаимодействие катехинов с гуммиарабиком происходит значительно активнее — соответствующие константы на два порядка выше, чем у мальтодекстрина. Из этого естественно ожидать, что гуммиарабик будет стабилизировать катехины эффективнее. Однако по результатам экспериментов с кинетическими кривыми оптимальным оказалось не стопроцентное содержание гуммиарабика, а именно соотношение 10 на 90. Мы полагаем, что это связано с вязкостью раствора, подаваемого на распылительную сушку: небольшое количество мальтодекстрина, вероятно, помогает каплям высыхать более равномерно и формировать частицы с лучшей структурой.

— То есть больше гуммиарабика — не всегда лучше?

— Именно так. Возможно, где-то существует более четкий экстремум зависимости стабильности от соотношения компонентов. Но нашей основной целью было не столько нахождение идеальной пропорции, сколько демонстрация того, что гуммиарабик химически связывает катехины значительно лучше. В большей степени акцент работы был именно на этом.

Оптимизацией, в смысле промышленного подбора идеального состава, можно и нужно заниматься отдельно, уже с оглядкой на конкретный продукт, оборудование, требования к текстуре и т. п.

— Вы сравниваете свободные и инкапсулированные катехины, но при разных температурах. Почему не сделать всё при одной — для чистоты анализа?

— Это справедливое замечание. По-хорошему, чтобы корректно сравнивать стабильность, нужны строго одинаковые условия: температура, влажность, доступ кислорода. На практике это довольно сложно и ресурсоемко. При низких температурах катехины в оболочках окисляются настолько медленно, что за разумное экспериментальное время вы просто не увидите статистически значимых изменений.

Поэтому мы использовали повышенные температуры, чтобы ускорить реакции окисления и быстрее получить данные по стабильности катехинов в инкапсулированном виде. Но даже с этой оговоркой разница получилась колоссальной.

При температуре 70 °C свободные катехины полностью окисляются буквально за два часа. При тех же градусах в инкапсулятах антиоксиданты окисляются всего на несколько процентов, после чего значение остается постоянным — они, по сути, перестают разрушаться. Чтобы добиться сопоставимой степени окисления инкапсулированных катехинов за те же два-четыре часа, температуру приходилось поднимать вдвое. А удвоение температуры — это, по сути, огромное ускорение для химических реакций, и на его фоне видно, насколько эффективна защита.

— Правильно ли я понимаю, что высокая степень инкапсуляции еще не равна лучшей защите?

— Абсолютно верно. Степень инкапсуляции показывает, какая доля катехинов изначально введенного количества успешно вошла в систему, то есть связалась с матрицей и оказалась внутри частиц, а сколько осталось снаружи. Это характеристика эффективности включения. А вот стабильность катехинов в инкапсулятах — уже другая история. Она зависит не столько от того, сколько молекул мы загнали внутрь, сколько от того, как именно они там связаны. Например, насколько эффективным оказалось химическое взаимодействие с матрицей, и какие еще защитные факторы обеспечила частица (структура, плотность, проницаемость).

Можно получить высокий процент инкапсуляции, но при этом матрица будет плохо химически удерживать катехины, и защита окажется слабой.

— Где уже сейчас может применяться ваш метод?

— На самом деле инкапсулированные антиоксиданты уже применяются в пищевой промышленности. Иногда катехины добавляют в продукты в свободном виде, но тогда они быстро теряют активность, особенно если речь о термической обработке.

Если же производственный процесс предполагает повышенные температуры — например, выпечку, — то прибегают именно к инкапсулятам. У нас, кстати, был вполне конкретный опыт: мы передавали образцы студентам-пищевикам из Новосибирского государственного технического университета, они использовали их для хлебобулочных изделий. При выпекании температуры высокие, и именно благодаря инкапсуляции катехины сохранили свои антиоксидантные свойства и в готовом продукте смогли донести свою пользу до потребителя.

— Какие у вас дальнейшие планы и разработки?

— На первом месте — поиск более точных физико-химических моделей, описывающих процессы инкапсуляции. Нам важно понимать на самом глубоком уровне, что именно происходит, потому что это определяет направление движения и для нас, и для других исследователей.

В большинстве научных работ стабилизацию в подобных системах объясняют исключительно диффузионными затруднениями: создали вокруг защищаемого вещества оболочку — кислород физически не может пробиться внутрь, отсюда и стабильность. Мы в двух своих работах показали, что диффузионный барьер, безусловно, играет роль, и, скорее всего, даже превалирующую.

Однако очень важен и другой фактор — химическое взаимодействие катехинов с матрицей. А это уже наводит на мысль, что при подборе инкапсулирующих веществ нужно ориентироваться не только на плотность образуемой частицы, но и на характер химического связывания с защищаемым веществом. Кроме того, мы уже ведем работу с принципиально другими носителями — белковыми матрицами. Белки ведут себя совершенно иначе: не все растворяются в воде, при нагревании у них другая химия, и такие инкапсуляты применяются для иных целей. Но первые результаты показывают, что эффективность и стабильность катехинов в белковых капсулах вполне сопоставима с полисахаридными.

Наш вклад состоит в том, чтобы улучшать понимание, как выбор матрицы и условий инкапсуляции влияет на реальную сохранность антиоксиданта. Так что впереди — большое поле для сравнения и новых моделей.

Работа проводилась в рамках государственного задания ИХТТМ СО РАН (проект № FWUS-2026-0022) и при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-73-10053).

Источник: Пресс –служба СО РАН («Наука в Сибири»)