Study on physicochemical properties and methodologies of nanosized mineral nutrients : 나노 무기영양소의 이화학적 특성 및 분석법 연구

양승철 세종대학교 대학원 2012 국내석사

Nanotechnology has been received a lot of attention in recent years in various fields because of its limitless potential. Physicochemical properties of nanoparticles are different from their macroparticle counterparts. For this reason nanosized materials could interact with biological system in different manner. Therefore, establishment of safety and toxicity of nanomaterials is very important due to the many experimental challenges and issues encountered when assessing the toxicity of nanomaterials. However, conventional analytical methods may or may not be proper to determine physicochemical properties of nanomaterials. Thus, evaluating the physicochemical properties of nanoparticles and its behavior in the human body is necessary especially for food applications before in vitro and in vivo test. The objectives of this study are to determine physicochemical properties of nanosized mineral particles and their behavior under in vitro digestion model. For this study, calcium carbonate and iron oxide nanoparticles were used because they are two of the most necessary minerals in the human body. Particle size and size distribution were measured using electron microscopy and dynamic light scattering (DLS) methods. But, mineral particles are insoluble in water. Therefore, some attempts to increase dispersibility are required. For this study, solvent replacement method for calcium carbonate nanoparticles and surface charge modification method was used for iron oxide nanoparticles. The specific surface area was determined using three different methods which were nitrogen adsorption, dynamic vapor sorption (DVS) system and calculation methods. Zeta potential was measured to determine the disperse stability in aqueous media by electrophoretic light scattering (ELS) method. In the electron micrograph results, particle size of calcium carbonate nanoparticles (CaCO3 NP) was around 100 nm uniformly. On the other hand calcium carbonate microparticles (CaCO3 MP) showed wide range of particle size distribution. The particle sizes of CaCO3 NP and MP in dimethyl surfoxide were 292.1 and 500.8 nm, respectively, which were determined by DLS method. Zeta potential of CaCO3 NP was higher than CaCO3 MP. But they are all unstable due to low zeta potential (less than -10 mV). The specific surface area of CaCO3 NP was higher than CaCO3 MP. The particle sizes of iron oxide nanoparticle and microparticle (Fe2O3 NPAE, MPAE and MPAA) were 166.10, 196.8 and 358.87 nm, respectively, which were analyzed by DLS method. This results showed similar results compared with that determined by electron micrographs. Zeta potentials were similar to each other. Surface modified Fe2O3 particles were more stable at neutral pH. The size of Fe2O3 particles under in vitro digestion conditions was larger than that of raw materials. Furthermore, zeta potential was slightly lower in raw materials especially at pH 6-7. This means that iron oxide particles became unstable in the aqueous media with ions despite surface modification to provide hydrophilicity. In conclusion, methods for determining physicochemical properties and behavior of mineral nanoparticles are expected to characterize nanomaterials to assess their functionality and toxicity using the methods reported in this study.

추출방법에 따른 보리 β-Glucan의 이화학적 특성과 변성 β-Glucan의 유화안정성

이상훈 충북대학교 2014 국내박사

(1→3),(1→4)-β-D-glucan은 보리, 귀리, 호밀 및 쌀 등의 곡류 세포벽 다당류로서 존재하며, 수용성 β-glucan은 다양한 생리활성이 알려지면서 대표적인 수용성 식이섬유의 하나로 주목받고 있지만 그 함량이 총 β-glucan의 약 40% 정도에 불과하며, 분자량이 크고 점도가 높아 산업적 이용에 제한이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 물리적, 화학적 및 생물학적 처리를 통하여 β-glucan의 저분자화 연구가 진행되었다. 그러나 대부분의 연구는 추출된 고순도 β-glucan의 저분자화 및 그 특성에 주목하고 있으며, 원료 보리에 적용된 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 원료보리를 다양한 방법으로 추출한 후 분리된 β-glucan의 이화학적 특성을 구명하고, 수용성 저분자화 β-glucan의 생리적 기능과 유화안정성 평가 및 수용성 β-glucan의 추출조건을 최적화하고자 하였다. 원료 보리를 열처리, 산/알칼리 가수분해 및 과산화수소 처리한 후 추출된 β-glucan의 함량, 순도 및 물리적 특성을 평가하였다. 메성 및 찰성보리 β-glucan의 함량은 각각 3.80%와 3.32%이었으며, 수용성 β-glucan은 약 40%이었으나, 추출조건의 강도가 증가함에 따라 함량은 감소하고 순도는 증가하였다. β-(1→4)/(1→3)결합비는 열처리를 제외한 모든 처리구에서 감소하는 경향을 보였다. 추출조건의 강도가 증가함에 따라 분자량과 점도는 감소하였으며, 열처리와 산처리의 분자량 감소가 크게 나타났다. 이로 인하여 재용해율은 증가하였으며, '분자량-점도'와 '농도-점도' 간에 높은 상관관계를 보였다. 원료 보리를 다양한 방법으로 추출하여 얻은 수용성 저분자화 β-glucan의 식이섬유로서의 기능성을 확인하고자 in vitro 결합력을 평가하였다. 물 결합력의 경우 찰성보리 β-glucan (6.74 g/g)이 메성보리(6.14 g/g) 보다 높게 나타났으며, 추출조건의 강도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 지방 결합력의 경우에도 찰성보리(12.48 g/g)가 메성보리(8.29 g/g)보다 높게 나타났으며, 추출조건의 강도 증가와 함께 전반적으로 감소하는 경향을 보였으나 2 × 105정도의 분자량을 갖는 처리구에서 무처리와 유사하거나 증가하였다. 담즙산 결합력의 경우 메성 및 찰성보리 β-glucan이 각각 22.42%와 26.71%로 나타났으며, 저분자화됨에 따라 크게 감소하는 경향을 보였으나 1 × 105정도의 분자량 범위에서 높게 나타났다. 수용성 저분자화 β-glucan의 활용도를 높이고자 n-octenyl succinic anhydride(OSA)로 수식된 변성 β-glucan의 치환특성과 유화안정성을 평가하였다. 치환도는 0.0113에서 0.0234로 증가하였으며, 이는 식품첨가물 기준규격에 적합한 수준이었다. 치환도 증가에 따라 반응수율도 48.24~59.38%에서 90%로 크게 증가하였으며, 분자량과 점도 역시 수식 전의 β-glucan에 비하여 크게 증가하였다. 이들의 상관관계 분석 결과 분자량이 작을수록 화학적 수식이 높게 나타났으며(-0.957**), 치환도와 반응수율도 높은 양의 상관관계(0.987**)를 보였다. 변성 β-glucan을 이용하여 제조한 유화액의 유화안정성으로 10일간 저장하면서 지방구 크기(d32)와 크리밍 안정성 변화를 살펴보았다. 분자량이 작고 OSA치환도가 높을수록 지방구 크기는 감소하였으며, 저장기간동안 크리밍 안정성도 높게 나타났다. 보리로부터 수용성 β-glucan의 추출조건을 최적화하기 위하여 과산화수소 농도(X1: 0.2~0.8%), 열처리 온도(X2: 90~150°C) 및 시간(X3: 5~35 min)을 변수로 중심합성계획에 따라 얻은 실험값을 반응표면분석을 실시하였다. 과산화수소에 의하여 유도되는 Fenton 산화반응에 중요한 역할을 하는 불포화지방산과 철 함량은 메성보리가 높았다. 또한, Fenton 산화반응에서 산화제일철(0.1 mM)는 촉매제, 피틴산(0.1 mM)과 카탈라아제(1 kU/mL)는 억제제의 역할을 하며, 이들의 최적 처리조건을 설정하였다. 분산분석(ANOVA) 결과 수용성 β-glucan의 함량에 미치는 영향은 과산화수소 농도가 가장 컸으며, 열처리 온도는 영향을 주지 못하였다. 또한, 수용성 β-glucan 함량의 이차다항식 분석 결과 결정계수와 적합결여도는 각각 0.827과 0.151로 모델이 적합함을 알수 있었다. 반응표면분석을 통하여 얻은 최적 추출조건에서의 예측값과 실험값에는 유의적인 차이가 없었다(p>0.05). 메성 및 찰성보리로부터 수용성 β-glucan 추출 최적조건은 각각 0.514%/115°C/24 min과 0.444%/105°C/21 min으로 나타났다. 본 연구결과 보리의 열처리, 산/알칼리 가수분해 및 과산화수소 처리는 β-glucan의 순도를 증가시키고, 분자량, 점도의 감소와 용해도의 증가에 따라 β-glucan의 물성을 개선하였다. 특정 처리조건에서 지방과 담즙산 결합력이 증가되었으며, 분자량 감소와 치환도 증가에 따라 유화안정성이 향상되었다. 따라서 수용성 저분자화 β-glucan과 변성 β-glucan의 식품, 의약품 및 화장품 산업에서 이용성을 증가시킬 수 있을 것으로 판단되며, 또한 과산화수소와 열처리를 이용한 추출조건의 최적화를 통하여 β-glucan의 추출공정을 개선하였다. (1→3),(1→4)-β-D-glucan, as a cereal soluble dietary fiber, have various physiological effects, however, the potential food applications of β-glucan are still limited because of low extraction yield, solubility, and high viscosity. Since the enzymatic hydrolysis and physicho-chemical treatments have been used to prepare depolymerized β-glucan. Many researches were reported and it is well-known that which treatments decrease the molecular weight and viscosity of β-glucan; however, these studies were performed on extracted and purified β-glucan or rich-fraction from barley bran. Also, very few studies have been investigated changes in content and purity of total and soluble β-glucan from whole grain barley by various extraction methods. Therefore, the objectives of this study were to preparation of soluble depolymerized β-glucan and investigation of their physicochemical and physiological properties for increase the application in food and cosmetic industry. In the interests of objectives, (1) investigated the changes in physicochemical characteristics of β-glucan from whole grain barley using different extraction methods; (2) evaluated the in vitro binding capacities of depolymerized soluble β-glucan as a component of dietary fiber; (3) investigated the physicochemical characteristics and emulsion stabilities of n-octenyl succinic anhydride modified β-glucans for using emulsifier; (4) optimized the extraction conditions of soluble β-glucan using hydrogen peroxide and thermal processing by response surface methodology, and its physicochemical characteristics are evaluated. The changes in content, purity, ratio of β-(1→4)/β-(1→3) linkages, average molecular weight, viscosity and resolubility of barley β-glucan were investigated. The degree of polymerization of β-glucan was decreased by various extraction methods such as heat-treatment, acid/alkali-hydrolysis, and oxidative degradation. As the extraction instensity such as heating temperature, HCl, NaOH and H2O2 concentration increased, the purity and resolubility of the β-glucan increased, and accelerated the decrease in the molecular weight and viscosity. The ratio of β-(1→4)/β-(1→3) linkages and viscosity decreased with an increasing acid/alkali and H2O2 concentration, whereas purity increased, which led to an increase in resolubility. In this study, very encouraging results that the ratio of soluble β-glucan increased by depolymerization. Also, heat treatment and oxidative degradation are shown to be used as an effective method to produce β-glucan with high water solubility and low viscosity. The changes in in vitro binding capacities of barley β-glucan with different extraction methods investigated. Water binding capacities of β-glucan from depolymerized barley significantly decreased. Fat and bile acid binding capacities of β-glucan from depolymerized barley overall decreased as the intensity of treatment increased, however, higher than other extraction conditions in a certain molecular weight distribution of about 100,000 and 200,000. There may be a couple of factors to influence the in vitro binding capacity of β-glucan, such as extraction conditions, structural and physicochemical properties as well as molecular weight. The physicochemical characteristics and emulsion stability of n-octenyl succinic anhydride modified barley β-glucan (OSA-BG) investigated. The degree of substitution (DS) and reaction efficiency (RE) of OSA-BG emulsions significantly increased, while molecular weight and viscosity decreased as increasing the intensity of the extraction methods. The droplet size (d32) of OSA-BG emulsions significantly decreased as increasing the intensity of extraction methods, however, the d32 values of emulsions significantly increased as increasing the storage periods at 10 days. The OSA-BG with high DS and low molecular weight enhanced the emulsion stability and it will be utilized versatile tools in food, pharmacy, and daily chemical industry. The extraction conditions with high content of soluble β-glucan optimized using the response surface methodology (RSM). Analysis of variance showed that relative good fit to the mathematic model, because the coefficients of the determinations (R2) and lack of fit were 0.827 and 0.151 for soluble β-glucan content, respectively. Overall, optimal extraction conditions for high content of soluble barley β-glucan via RSM expected to be at 0.509~0.514% of hydrogen peroxide concentration, 115~117°C of heating temperature and 11~24 min of heating time. These results showed that heat treatment, acid/alkali hydrolysis and oxidative degradation incerease the purity of β-glucan, and improve the rheological properties by decrease the molecular weight, viscosity and increase the solubility. The fat and bile acid binding capacity increased or maintained in a certain extraction conditions. The emulsion stability of OSA-modified β-glucan emulsion was increased by decreasing the molecular weight and increasing the DS. Therefore, the depolymerized soluble barley β-glucan and OSA modified β-glucan were condsidered able to develop as functional materials in food, drug and cosmetic industry. Also, extraction procedure of β-glucan was improved by optimizing the extraction conditions using hydrogen peroxide and heat treatment.

Physicochemical properties and digestion characteristics of milled nanopowders : iron oxide and red ginseng nanopowders

류지나 세종대학교 대학원 2012 국내석사

2006년 교육과학기술부에서는 나노기술을 물질을 나노미터 크기의 범주에 조작·분석하고 이를 제어함으로써 새롭거나 개선된 물리적·화학적·생물학적 특성을 나타내는 소재·소자 또는 시스템을 만들어 내는 과학기술 또는 소재·소자 또는 시스템을 나노미터 크기의 범주에서 미세하게 가공하는 과학기술이라고 정의하였다. 현재 제약, 화장품, 신소재, 반도체 등의 다른 분야에서는 많이 사용되고 있으나 아직 식품분야에선 연구 중이다. 식품소재에 나노기술을 적용시킨 것이 식품나노소재이다. 식약청에서는 식품나노소재를 외부 한차원의 크기 평균값이 1에서 100 nm 인 물질 또는 크기 평균값이 100 nm를 초과하고 1 μm 미만으로서 크기 변화에 의해 동일한 성분의 일반 크기 물질과 다른 특성을 갖거나 입자 개수의 50% 이상이 1에서 100 nm 인 물질로 이루어진 응집체라고 정의하고 있다. 식품 나노소재는 제조기술, 형태, 용도에 따라 분류할 수 있는데 형태에 따라 분류하는 것이 가장 바람직하다. 식품나노소재는 형태에 따라 biopolymeric nanoparticles, nano-emulsion, liposomes, micelles, nanotubes, solid lipid nanoparticles, nanofibers, bilayers, nanopowders의 9가지로 분류할 수 있다. 본 연구에서는 이 아홉가지 형태 중 nanopowders 형태를 분석하였다. 분말형태는 음료, 소스, 과자 등 다양한 제품에 쉽게 적용할 수 있다. 또한 분쇄기와 분류기만 제대로 갖추면 대량생산이 용이하며 가공공정 중 용매를 사용하지 않기 때문에 안전성에 크게 문제가 되지 않아 산업화 가능성이 크다. 또한 입자 크기의 감소를 통해 기존 제품의 기능성을 향상시킬 수 있는 잠재력을 지니고 있다. nanopowders 형태의 식품나노소재 중 무기물로는 산화철, 유기물로는 홍삼을 선택하였다. 산화철은 ferric과 ferrous의 기본형태이다. 생물체의 수용성 환경에서는 ferric과 ferrous만이 안정한 형태이기 때문에 산화철은 철분제의 성분이다. 철분은 체내에 산소를 공급해 주는 헤모글로빈의 구성 성분으로 체내에 매우 중요한 미량원소이다. 철분은 소화기작, 특히 십이지장에서 흡수되지만 흡수율이 매우 낮아 결핍되기 쉽다. 그러므로 철분에 나노기술 적용이 필요하다. 하지만 국내에 철분 나노소재에 대한 연구가 미흡하기 때문에 철분 나노소재에 관한 연구가 필요하다. 국내 건강기능식품 생산 통계에 따르면 약 55%가 홍삼 기능성 식품이라고 한다. 홍삼 기능석 식품은 보통 추출물 형태와 분말형태이다. 하지만 추출물의 경우 수용성 성분만 추출되어 지용성 기능성 성분은 추출되지 않는 단점이 있다. 이를 보완한 것이 분말형태이지만 분말형태의 기능성 성분 방출은 제한적이다. 그러므로 현재 홍삼분말의 입자크기 보다 더 작게 제조한다면 지금보다 기능성을 향상 시킬 수 있을 것이다. 입자의 크기가 나노크기까지 작아지면 표면적이 기존보다 매우 커지면서 본래의 입자크기가 가지고 있던 물리적, 화학적, 생화학적 특성이 변화하게 된다. 좋게는 생활성을 향상시키지면 표면 전하 및 구조적 특성에 따라 독성을 나타낼 수 있는 잠재적 위험을 지니고 있어 안전성 연구가 필요하다. 안전성 연구를 시작하기 전 소재의 이화학적 특성 분석이 필요하다. 하지만 아직 식품나노소재에 대한 이화학적 특성 분석법이 확립되어 있지 않다. 식품소재는 빛, 열, 압력 등에 약하기 때문에 다른 나노물질과는 다른 분석법을 필요로 한다. 그러므로 본 연구의 목적은 나노 분쇄물 중 산화철과 홍삼의 특성을 분석하고 이를 분석할 수 있는 분석법을 확립하는 것이다. 연구에 사용된 산화철은 NP(< 100 nm), MP(< 10 μm), MP(< 44 μm)의 세 가지 다른 크기의 산화철 분말을 구입하여 사용하였다. 산화철의 이화학적 특성으로는 입자 크기와 형태, 입자 크기 분포, 제타 전위를 측정하였다. 제타 전위는 입자의 크기에 따라 크게 다르지 않았다. 하지만 pH에 영향을 받아 중성에서는 0에 가까운 값으로 불안정하였으며 산성과 염기성에서는 비교적 안정하였다. 입자크기를 측정하기 위해 citric acid와 sodium citrate를 첨가하여 표면개질 하였다. 입자크기는 NP(< 100 nm) 는 166.1 nm, MP(< 10 μm) 는 196.8 nm, MP(< 44 μm) 는 358.9 nm으로 기업에서 명시한 입자크기보다 작게 측정되었다. 하지만 SEM 사진을 통하여 관찰한 결과 본 연구에서 측정한 입자크기가 산화철 분말의 입자크기 임을 확인하였다. 표면개질한 산화철 분산액을 사용하여 소화모방 조건에서 시간에 따른 입자에 응집 특성을 분석하였다. 위장에서 한 시간, 소장에서 두 시간 동안 2초 간격으로 입자 크기를 측정하였다. 위장에서 응집이 일어났으며 소장에서는 위장에서 응집된 후 크게 응집이 일어나지 않았고 위장에 비해 안정함을 보였다. 또한 입자의 크기가 작을수록 응집이 빠르게 일어났다. 위장과 소장에서 응집된 입자는 원심분리를 통해 상층액을 제거한 후 다시 증류수에 분산시켜 citric acid와 sodium citrate를 첨가하여 표면개질시켜 재분산 시켰다. 재분산 시킨 결과 본래의 입자크기를 측정할 수 있었다. 홍삼은 시중에 판매되고 있는 홍삼분말을 구입하여 control로 사용하였고 이를 볼밀링을 사용하여 분쇄하여 나노분말 Nanomaterials are likely to change physicochemical properties, such as particle size, surface zeta-potential, etc. depending on the condition in which they are dispersed during in vitro digestion. The market requires novel health products that increase the absorption of nutrition supplement. Recently, nanotechnology has obtained attention to enhance nutrient absorption in gastrointestinal (GI) tract by reducing size. Time-dependent agglomeration and release property of nutrients in GI tract is one of important factors for size-dependent health benefit and toxicity effects. Therefore, analysis of the physicochemical properties and digestion behavior of iron oxide (III) nanopowder and red-ginseng nanopowder under in vitro digestion is necessary especially for evaluating bioavailability potential and toxicity. In this study, iron (III) oxide NP 99% (< 100 nm), Iron (III) oxide MP 99.9% (< 10 μm), and iron (III) oxide MP 99% (< 44 μm) were selected and their physicochemical properties during in vitro digestion (simulated stomach and small intestine) condition were analyzed using dynamic light scattering (DLS) measurement, scanning electron microscopy (SEM), electrophoretic light scattering (ELS) techniques. Iron (III) oxide NP 99% (< 100 nm), Iron (III) oxide MP 99.9% (< 10 μm), and iron (III) oxide MP 99% (< 44 μm) were agglomerated in the simulated stomach and small intestine conditions and their sizes were 1510.5, 4295.3, 3560.9 nm, in stomach and 2385.1, 4351.6, 4513.7 nm, respectively, in small intestine conditions. In stomach condition, agglomeration of surface-modified particle was faster than that of non-modified particles; the smaller particle was the faster particle aggregated. The trends of agglomeration were similar in small-intestine conditions. Zeta-potentials of iron oxide (III) nanoparticles were reduced after in vitro digestion. The zeta-potential drop was caused by digestive enzymes and ions in the digestion media. It was proven that removal of digestive enzymes and ions restored the zeta potentials of iron oxide (III) nanoparticles. The enzymes and the ions which are separated from the salts of digestion media shielded the surface charges on the iron oxide (III) nanoparticles. This agglomeration was caused by ionic linkages among particles due to increase of specific surface area and supply of ions from in vitro environment. The methodologies and results of this study could be extended to analyze and compare the behavior and physicochemical properties of various inorganic nanoparticles dispersed in in vitro and in vivo conditions. In this study, red-ginseng nanopowder was prepared and analyzed physicochemical properties and release property at in vitro digestion. To analyze properties of red-ginseng nanopowder, red-ginseng powder 30 g and 3 mm diameter zircornia ball 100 were put into milling chamber, and ball-milled at the milling speed of 100 rpm. For the size measurement, 0.1 g of red-ginseng powder was dispersed in to 100 mL of ethanol with 0.1 g Troton X 100 and stirring. Particle size of control and red-ginseng nanopowder was 109.762 μm and 86.954 μm, respectively. Specific surface area was observed using vapor sorption method. The specific surface area of control and red-ginseng nanopowder was 53.8 m2/g and 93.13 m2/g, respectively. For the in vitro digestion test, 6 g of red-ginseng powders were dispersed into a 100 mL of 20 mM phosphate buffer. For simulated stomach condition, 10 mL of pepsin solution was added too. And then, pH was adjusted to 2 and incubated at 37°C in a water bath with shaking at 95 rpm for 1 h. Next, the pH was adjusted to 5.3 with 100 mM sodium bicarbonate and 50 mL of a mixture of lipase, bile extract and pancreatin. And then, pH was adjusted to 7 and incubated at 37°C for 2 h. Time-dependent release property of red-ginseng powders were measured by HPLC. red-ginseng nanopowder released ginsenoside Rg1 more than red-ginseng micropowder. The objective of this study is to analyze physicochemical properties of iron (III) oxide and red-ginseng nanopowder and their behavior under in vitro digestion condition.

Development of artificial intelligence applied drug physicochemical property prediction program: comparative verification between actual data and AI-predicted data in various model drugs

Jung Eun-A 국민대학교 일반대학원 2023 국내석사

Effects of Initial Moisture Content on Drying Characteristics and Physicochemical Properties of Dried Meat Products

김동현 건국대학교 대학원 2022 국내박사

Food processing, such as heating, drying, and sterilizing demands high energy consumption. In the food industry, it is important to develop new processing technologies to provide good quality foods at low prices. Therefore, this study was aimed to develop new drying processes that save energy consumption and hold good drying characteristics and physicochemical properties in meat products. Particularly, the effects of initial moisture content in the drying process of meat products were evaluated in meat jerky, semi-dried restructured sausages, and meat chip. Meat jerky is a dried meat product with a long shelf life, light weight, and unique sensory properties. However, meat jerky requires a long manufacturing time, resulting in high energy consumption. In this study, beef jerky is prepared by injecting different concentrations of brine at different hot-air drying times (0–800 min). When the initial moisture concentration is increased to 30%, the drying characteristics of beef jerky, such as drying time and effective moisture diffusivity, are significantly improved owing to the relatively high-water content and the formation of porous structures. The physicochemical properties (e.g., meat color, porosity, shear force, and volatile basic nitrogen) of the beef jerky injected with 30% brine are improved owing to the shortened drying time. Scanning electron microscopy images show that the beef jerky structure becomes porous and irregular during the brine injection process. This novel processing technique for manufacturing beef jerky leads to improved quality characteristics and shortened drying times. Semi-dried restructured sausages are restructured meat products with a high nutritional and economic value. However, excessively long drying times can have negative effects on the energy consumption, texture, and sensory properties of semi-dried restructured sausages. The objective of this study was to investigate the effects of different water contents on the drying and physicochemical characteristics of semi-dried restructured sausages. Sausages were prepared with different initial moisture contents (0-50%) and drying time (0-580 min). The drying characteristics, including the drying rate, effective moisture diffusivity, and water activity, of sausage were significantly improved as the initial moisture content was increased. When the initial moisture content of the sausage was 50%, physicochemical properties, such as color, porosity, shear force, and volatile basic nitrogen, were improved the most along with the decreased drying time. Scanning electron microscopy data showed greater porosity and pore size in sausages with the increase of initial moisture content. Collectively, these data suggest that an increase in the initial moisture content of semi-dried restructured sausages improves their drying characteristics and physicochemical properties. Hot air drying is used to manufacture dried meat products; however, it is expensive and time-consuming. In this study, chips were manufactured with ice contents ranging from 0 to 50% and with different hot air drying times from 0 to 580 min. An increase in ice content significantly improved the drying characteristics, such as drying time, water activity, and effective moisture diffusivity, of chips because of the high water content and the porous structure. The physicochemical properties including meat color, porosity, volatile basic nitrogen texture, and sensory perception were significantly improved in the chips added with 50% ice content because of the shortened drying time and porous structure. Optical microscopy observations show that the chip structure becomes irregular and porous with an increase in ice content. These results suggest that the addition of ice can be used as a novel processing technique in chicken chips. Taken together, initial moisture content affected the drying characteristics and physicochemical properties of dried meat products. An increase in the initial moisture content changed the composition and generated porous structure of dried meat products. The effective moisture diffusivity was increased by the composition of dried meat products with high initial moisture content. The high moisture diffusivity shortened drying time of dried meat products. The short drying time decreased discoloration and protein denaturation of dried meat products. The hardness and shear force of dried meat products were decreased with increasing initial moisture content and porous structure. The effective moisture diffusivity of semi-dried restructured sausages and meat chips was more susceptible to initial moisture content than the effective moisture diffusivity of jerky. These data indicate that the initial moisture content could increase drying process efficiency of dried meat products and can save energy consumption during manufacturing. 식품가공에서 가열, 건조, 살균과 같은 공정은 많은 에너지를 소비하고 있다. 이러한 식품 가공 기술은 다양한 혁신적 개발 및 개선과정을 통하여 우수한 품질의 식품을 저비용으로 제조할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 건조 공정에서 필요한 에너지를 줄이고 건조 특성과 물리화학적 특성이 우수한 건조 육제품 제조 공정을 개발하였다. 초기 수분함량 증가가 육포, 반건조 재구성 소시지, 미트칩의 건조특성과 품질에 미치는 영향을 비교, 분석하였다. 육포는 건조 육제품 중 하나로 긴 저장성과 가벼운 무게, 독특한 관능적 특징을 갖고 있다. 그러나, 육포는 긴 가공시간을 요구하여 많은 에너지를 소비한다. 본 연구에서는 염지액 양을 다르게 주입하고 0분에서 800분 동안 열풍 건조하여 육포를 제조하였다. 30%의 염지액을 주입한 육포는 높은 수분함량과 다공성 구조 형성으로 인하여 건조 시간을 단축하고 유효수분 확산도를 증가시켰다. 30% 주입으로 건조 시간이 단축된 육포는 육색, 다공성, 전단력, 단백질 변패도와 같은 물리화학적 특성이 향상되었다. 주사 전자 현미경에서는 인젝션 공법이 육포의 구조에 다공성 및 불규칙한 구조를 만들어낸 것을 볼 수 있었다. 새로운 육포 제조 기술은 품질적 특징을 향상시켰고 건조 시간을 단축시켰다. 반건조 재구성 소시지는 식육을 재구성하여 높은 영양 및 경제적 가치를 구현한다. 그러나, 과도한 건조 시간은 반건조 재구성 소시지의 에너지 소비, 식감, 관능적 특징에 부정적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 초기 수분함량이 반건조 재구성 소시지의 건조 특성 및 물리화학적 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 반건조 재구성 소시지는 서로 다른 수분함량(0-50%)으로 제조하여 건조 시간(0-580)에 따른 건조 특성을 평가하였다. 초기 수분함량이 증가할수록 반건조 재구성 소시지의 건조 속도, 유효수분 확산도, 수분 활성도와 같은 건조 특성이 향상되었다. 50% 초기 수분함량을 첨가한 반건조 재구성 소시지에서는 건조시간이 단축되어 색, 다공성, 전단력, 단백질 변패도 등의 물리화학적 특성이 향상되었다. 주사 전자 현미경을 통하여 초기 수분함량을 증가시킨 반건조 재구성 소시지에서 더 나은 다공성과 구멍 크기가 증가하였다. 결론적으로, 반건조 재구성 소시지에서 초기 수분함량 증가는 건조 특성과 물리화학적 특성을 향상시킬 수 있다. 건조 육제품을 제조하기 위하여 일반적으로 사용되는 열풍건조는 공정시간이 길고 가공 비용이 높다. 본 연구에서는 0%에서 50%의 얼음을 첨가하고 0분에서 580분까지 열풍 건조한 칩을 제조하였다. 미트칩에서 얼음 첨가량이 증가할수록 얼음이 건조되어 생긴 공극이 증가하여 건조 시간, 수분활성도, 유효수분 활성도와 같은 건조 특성을 향상시켰다. 미트칩에서 얼음 첨가량이 증가할수록 광학현미경을 통하여 다공성 구조와 불규칙한 구조를 확인할 수 있었다. 최종적으로 50% 수분함량을 첨가한 미트칩에서는 건조 시간 단축과 다공성 구조 형성으로 육색, 다공성, 단백질 변패도, 물성과 같은 물리화학적 특성과 관능적 특성이 향상되었다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때, 건조 육제품의 건조 특성과 물리화학적 특성은 초기 수분함량에 따라 영향을 받는 것으로 확인되었다. 육제품에서 초기 수분함량이 증가함에 따라 건조 전 조성이 변화하였고, 건조 후 다공성 구조가 나타났다. 수분함량이 높은 조성일수록 건조 육제품의 유효 수분 확산도가 증가하여 건조 시간이 단축하였다. 초기 수분함량 증가로 건조 시간이 단축하였을 때, 건조 육제품의 변색 및 단백질 변패도가 감소하였다. 건조 육제품의 다공성 구조가 증가한 경우 건조 육제품의 전단력 및 경도가 감소하였으며 관능적 기호도가 증가하였다. 초기 수분함량 증가에 따른 유효수분 확산도 증가 효과는 재구성 건조 육제품에서 생육 보다 크게 나타났다. 최종적으로, 본 연구를 통해 초기 수분함량이 건조 육제품의 건조 특성 및 물리화학적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이러한 결과로 경제성과 상품성이 향상된 건조 육제품 제조가 가능할 것으로 사료된다.

Effects of nanopowderized oyster shell on antiosteoporosis and bone growth and its application : 나노굴껍질분말의 이화학적 특성과 흰쥐에서 항-골다공증과 키 성장의 효과와 유제품에 적용 연구

이윤경 세종대학교 대학원 2015 국내박사

Nanotechnology is receiving a great deal of attention regarding its potential application in the food and other industries. This technology enhances the bioavailability and functionality of various food components. The current growing interest in nanotechnology focuses on its application to food research, with a view to increasing the solubility and bioavailability of nutritional food ingredients. This study has investigated the physicochemical properties, bioavailability, and toxicity of nanopowderized oyster shell (NPOS) and zinc-activated nanopowderized oyster shell (Zn-NPOS). It also examined the effects of NPOS and Zn-NPOS on postmenopausal osteoporosis and bone growth in rats, and the possible application to dairy products. In the first part of this study, the physicochemical characteristics, bioavailability, and toxicity of NPOS and Zn-POS were examined by particle size analysis, scanning electron microscopy (FE-SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The resulting data demonstrated that the surfaces of powderized oyster shell (POS), NPOS and Zn-NPOS were spherical in shape, and their particle sizes were 180 μm, 257 nm and 389 nm, respectively. The XRD and FT-IR analyses confirmed that calcium carbonate was major component in POS, NPOS and Zn-NPOS. Additionally, both the solubility and bioavailability of Zn-NPOS were higher than those of NPOS and POS. Cytotoxic studies showed that no toxicity of NPOS and Zn-NPOS was observed for four days. Overall, the physicochemical properties, bioavailability, and toxicology investigations indicated that NPOS and Zn-NPOS particles improved biocompatibility without any phase changes. In the second part of this study, the preventative effects of NPOS and Zn-NPOS on postmenopausal osteoporosis were investigated in ovariectomized rats. Seven-week old female rats were ovariectomized and assigned to five groups: sham operated (sham); ovariectomized rats treated with vehicles (OVX); ovariectomized rats treated with POS (20 mg/kg body wt); ovariectomized rats treated with NPOS (20 mg/kg body wt); and ovariectomized rats treated with Zn-NPOS (20 mg/kg body wt). The analysis of femur bones indicated that the treatment with Zn-NPOS resulted in a greater extent of recovery from ovariectomy-induced bone loss compared to the NPOS and POS treated groups. In addition, treatment with Zn-NPOS resulted in greater bone strength and superior trabecular architecture in rats than that treated with NPOS and POS. Moreover, Zn-NPOS showed a greater efficiency in increasing bone formation markers, as well as reducing bone resorption markers. Overall, these results indicated that both NPOS and Zn-NPOS treatments could potentially prevent ovariectomy-induced severe bone loss in rats. In the third part of this study, the effects of NPOS and Zn-NPOS on bone growth were examined in rats. Three-week old male rats were divided into four groups, based on the following treatments administered for seven weeks: control (non-treated sample); treated group 1 (treated with POS); treated group 2 (treated with NPOS); and treated group 3 (treated with Zn-NPOS). The rats fed with Zn-NPOS significantly increased in length, from 0.43 mm to 0.62 mm (44.19%). Treatments with NPOS and Zn-NPOS resulted in greater bone strength and superior trabecular architecture in rats than that with POS treatment. In addition, the serum IGF-1 levels of the Zn-NPOS groups appeared to be greater than those of the control groups. This part of the study indicated that NPOS and Zn-NPOS treatment groups enhanced bone calcium metabolism, resulting in a growth in rat length. In the fourth part of this study, milk samples, supplemented with dispersible oyster shell powders (0.5–2.0%, v/v), were examined for physicochemical and sensory properties at 4C during a 16 day storage period. Oyster shell powder was added to distilled water (10%, w/v) and stirred at 800 rpm for 2 h, and then 0.5% polyglycerol monostearate (PGMS) was added and stirred for 24 h. The pH values of all the milk samples ranged from 6.62 to 6.88 during the storage period, and the dispersibility of NPOS- and Zn-NPOS-added milk were more stable than that of the POS-added milk at low concentrations (0.5 and 1.0%, v/v) during storage. The sensory properties revealed that the dispersibility score in appearance increased significantly at higher concentrations of POS-, NPOS- and Zn-NPOS-added milk (1.5 and 2.0%, v/v; p<0.05) during the storage. Therefore, the dispersible NPOS or Zn-NPOS can be supplemented into milk without any adverse effect. In the fifth part of this study, the characteristics of tablet milk supplemented with NPOS or Zn-NPOS were investigated. The data showed that the hardness was not significantly different between the control sample and NPOS- or Zn-NPOS- added tablet milk samples (p>0.05). The sensory properties showed that the appearance, flavor, taste, texture, and overall acceptability of all the samples were similar to the control samples. Finally, it was concluded that the quality of the tablet milk samples, supplemented with nanosized oyster shell powders, was similar to the control sample. In summary, nanopowderized oyster shell was not significantly different from POS in terms of chemical composition, purity, crystallinity and toxicology. The results showed that NPOS and Zn-NPOS had greater calcium dispersibility and bioavailability. In addition, NPOS and Zn-NPOS treatments had significant antiosteoporotic effects and increased bone growth. The quality of milk and tablet milk, supplemented with NPOS or Zn-NPOS, did not change considerably sensory property but was stable physically. In conclusion, both NPOS and Zn-NPOS have the potential to treat postmenopausal osteoporosis and improve bone growth. Thus, they could be considered as functional ingredients in food applications.

Characterizations of human odorant receptor classes by physicochemical conservations of residues in human odorant receptors

Won-Cheol Kim DGIST 2022 국내석사

본 논문에서는 인간 후각 수용체 클래스 간에 나타나는 후각 수용체의 기능 차이를 각 클래스에 속한 후각 수용체의 잔기 상 물리화학적 보존성 차이 관점에서 연구했다. 후각 수용체는 인간의 후각 시스템에서 수많은 외부 후각 물질을 인식한다. 인간의 후각 수용체는 아미노산 서열 간 일치도에 따라 계통학적으로 두 집단으로 구분되며, 구분된 집단은 각각 클래스 1, 2로 불린다. 두 클래스 간에는 후각 수용체가 감지할 수 있는 후각 물질의 물리화학적 성질의 차이 등에서의 기능 차이가 보고되어 왔다. 지금까지 후각 수용체 단백질 서열에 다양한 보존 분석법이 적용되어, 두 클래스 간 기능 차이에 중요할 보존 잔기 혹은 특징이 발견되었다. 한편, 단백질의 구조는 단백질을 구성하는 잔기 간의 상호작용에 영향을 받고, 잔기에 위치한 아미노산의 물리화학적 성질에 따라 그 잔기의 상호작용 양상이 달라지기 때문에 20종류의 아미노산 사이의 물리화학적 유사성 기반의 서열 보존 분석은 단백질의 3차원 구조 형성에 중요할 물리화학적 성질 추출에 유용하다. 하지만, 인간 후각 수용체 클래스 사이의 차이를 분석하기 위해 물리화학적 성질 유사성 기반의 보존 분석을 적용한 사례가 없었다. 본 논문에서는 인간 후각 수용체 두 클래스의 기능 구분에 중요할 물리화학적 보존 성질을 추출하기 위해 물리화학적 보존 분석법을 설계하고 이를 인간 후각 수용체의 단백질 서열에 적용했다. 물리화학적 성질이 보존된 후각 수용체의 잔기를 각 클래스에서의 보존성에 따라 네 집단으로 분류했을 때, 흥미롭게도 각 클래스에서 다른 물리화학적 성질로 보존된 잔기(PDCC)를 발견했다. 이 잔기가 인간 후각 수용체 두 클래스의 기능 구분에 중요한지를 각 클래스 대표 후각 수용체 모델의 각 PDCC가 상대 클래스에서 보존된 물리화학적 성질로 바뀌었을 때, 그리고 보존된 물리화학적 성질이 유지되게끔 아미노산을 치환했을 때의 효과를 확인하고 비교하는 방식으로 검증했다. 한편, 각 PDCC 잔기가 하나의 보존된 집단으로도 인간 후각 수용체의 기능에 중요하게 역할 할지를 동일한 방법으로 확인했다. 실험 결과로부터 개별 PDCC가 인간 후각 수용체 두 클래스의 기능 구분에 중요하지 않을 수 있지만, 보존 집단으로써 PDCC는 개별 잔기보다 인간 후각 수용체의 기능에 더 영향을 줄 수 있음을 확인했다. 이는 각 인간 후각 수용체 클래스에 보존된 물리화학적 성질들이 여러 보존 집단으로서 인간 후각 수용체 간의 기능 차이 이해를 확장할 수 있음을 시사한다. Odorant receptors (ORs) detect various external odorants in the human olfactory system. Human ORs included in class A G protein-coupled receptors (GPCRs) are phylogenetically divided into two clusters (Class I and Class II ORs) by their sequence identity. Functions of ORs have been reported to be different between the two OR classes. Physicochemical properties of odorants that human ORs recognize were different between the classes. Residues of ORs, which may be responsible for distinguishing functions of ORs between the classes, had been found by various conservation analysis methods applied to amino acid sequences of ORs. However, no study examined conservations of physicochemical features of amino acids in the human OR sequences to analyze the difference between the two human OR classes. To extract physicochemical features of residues which may be responsible for distinguishing functions of ORs, especially recognitions of ligands, between two human OR classes, a physicochemical conservation analysis was designed and applied to amino acid sequences of the ORs. Physicochemically conserved residues of ORs in each class were classified into four groups by conservations in the classes. Interestingly, there were physicochemically differently conserved OR residues between OR classes (PDCCs) that may be one of the critical residues in distinguishing functions of ORs between the classes. To validate the importance of PDCCs in distinguishing functions of ORs between the two classes, PDCCs of a representative OR in each class were mutated to physicochemical features conserved in the other class or to other amino acids that contain the features conserved in the same class. And to examine the functional roles of PDCCs as conserved sets in each class, the same approach was taken. The results suggest that individual PDCCs may not be critical in distinguishing functions of ORs related to recognizing ligands between two human OR classes. PDCCs as conserved sets may more affect ORs than the individual PDCCs. Taken together, physicochemically conserved features as conserved sets in ORs of each human class may widen understanding of functional differences between the human OR classes.

Novel Candidates as Small-molecule Antibiotics Potentiated by Peptide Sensitizer against Gram-negative Bacteria: Advancing Development of Next Generation Sensitizer

최형운 서울대학교 대학원 2024 국내석사

The outer membrane of Gram-negative bacteria acts as a formidable barrier against small molecule antibiotics seeking to penetrate into the bacterial interior. Developing antibiotics specifically targeting Gram-negative bacteria poses significant challenges due to the molecular physicochemical properties required for traversing their cell membrane, including a net positive charge, flat rather than globular structure, low flexibility, and high amphiphilic moment. Consequently, the development of antibiotics capable of permeating the cell membrane of Gram-negative bacteria necessitates specific physicochemical properties, making it a daunting task. In light of this, the focus has shifted towards the development of sensitizing antimicrobial peptides that can adhere to the outer membrane, potentially enabling the passage of Gram-positive antibiotics. Extensive efforts have been devoted to enhancing their sensitizing capabilities through systematic adjustments in the length, hydrophobicity, and N-terminal modifications of alpha-helical peptides folded with proline. This exploration culminated in the successful creation of a novel peptide, 1403, exhibiting improved sensitization, effectively rendering Gram-positive antibiotics efficacious both extracellularly and intracellularly. The "sensitizer" approach is emerging as a more effective strategy, considering factors such as drug development costs and the possibility of drug resistance compared to conventional antibiotic development methods. Furthermore, the combined treatment of sensitizing peptides with Gram-positive antibiotics has been demonstrated to not only treat Gram-negative bacteria effectively but also enhance their antimicrobial potency. Expanding the research scope, computational analyses utilizing physicochemical calculations were employed to identify molecules exhibiting robust antimicrobial activity when co-administered with peptides across different antibiotic classes, thereby distinguishing their varied physicochemical properties. Of paramount importance is the ability of sensitizing peptides to overcome the restrictive physicochemical properties associated with known Gram-negative antibiotics, thereby dismantling existing paradigms and extending their action to a broader spectrum. Subsequent development efforts have focused on the creation of next-generation sensitizing peptides based on the 1403 peptide. Mitochondria, with their unique lipid composition, particularly abundant cardiolipin in the inner mitochondrial membrane, served as a target for the development of peptides specifically targeting Gram-negative bacteria. By constructing an 8th generation peptide library, efforts were made to assess antimicrobial efficacy, with a strategic focus on maintaining high efficiency against the target while minimizing toxicity. Rational design strategies, including the incorporation of D-amino acid substitutions known for their resistance to protease degradation, were employed to enhance peptide stability. Additionally, efforts aimed at reducing alpha-helicity properties of the peptides, crucial for mitigating protease susceptibility, were pursued through proline-induced structural alterations. Notably, D-amino acid substitutions at positions 1, 2, and 15 of lysine were omitted to avoid compromising the helical conformation. Ultimately, successful construction of a 9th generation peptide library was achieved. Peptides ranging from 1901 to 1904 were designed by replacing lysine residues at positions 5, 8, 9, and 12 of the original 1403 peptide sequence with D-lysine, while excluding positions 1, 2, and 15. Peptides from 1905 to 1909 were engineered to induce a kinked structure by utilizing proline from the original 1403 peptide sequence. Based on experimental findings, two peptides incorporating both strategies were synthesized: peptide 1910 fused the synthetic strategies applied to peptides 1904 and 1905, whereas peptide 1911 amalgamated those applied to peptides 1904 and 1909. Consequently, peptide 1911 exhibited significantly low toxicity and demonstrated superior sensitization efficacy at lower concentrations compared to other peptides. The development of peptide 1911, integrating both strategies, holds promise for achieving responsive antimicrobial effects at minimal toxicity levels within in vivo. keywords : Sensitizer, Gram-negative bacteria, Antibiotics, Potentiator, physicochemical property, Cardiolipin, Cyclohexyl alanine, D-form substitution, Alpha helicity. Student Number : 2021-27124 그람-음성균의 외막은 박테리아 내부로 침투하기 위한 소분자 항생제에 대해 강력한 방해물로 작용합니다. 그람-음성균의 세포막을 통과하기 위한 그람-양성균용 항생제의 분자적 특성은 중성이 아닌 양전하, 구형 대신 평평한 구조, 낮은 유연성 및 높은 양친매성 모멘트가 요구됩니다. 따라서 그람-음성균의 세포막을 통과하기 위한 그람-양성균용 항생제의 개발은 특정한 물리화학적 특징이 요구되어 매우 어렵습니다. 이에 그람-양성균용 항생제의 통과가 가능할 수 있게 외막에 붙어 감응하는 감응 항균 펩타이드 개발에 중점을 두었습니다. 프롤린으로 접힌 구조를 이룬 α-헬릭스 펩타이드의 길이, 소수성 및 N-말단기에 대한 체계적인 조절을 통해 그들의 감응 능력을 향상시키기 위해 많은 변화와 노력을 하였습니다. 이 탐색의 결과로 리팜피신의 향상된 감응력을 나타내는 새로운 펩타이드 1403을 만드는 것에 성공하였습니다. 이 펩타이드는 생체 밖과 안에서 그람-양성균용 항생제를 효과적으로 감응시키는데, 기존의 항생제 개발 방법과 비교했을 때, "sensitizer" 접근법은 약물 개발 비용 및 약물 내성 발생 가능성과 같은 요소들을 고려할 때 더 유효한 전략으로 떠오르고 있습니다. 그람-양성균용 항균제를 감응 펩타이드와 공동으로 처리함으로써 그람-음성균을 치료하는 효과와 효율성 모두를 확인하였습니다. 더 나아가 감응 펩타이드와 공동으로 처리했을 때, 강력한 항균 능력을 나타내는 분자를 분석하기 위해 물리화학적 계산을 활용하여 연구 범위를 확장했습니다. 각 계열의 항생제에 따라 다양한 물리화학적 특징을 가지고 있고, 이를 3개 균에 펩타이드와 함께 효과를 확인해봄을써 이를 구분할 수 있었습니다. 중요한 것은 감응 펩타이드의 존재 하에 기존에 알려져있던 그람-음성균용 항균제의 제한적인 물리화학적 특징을 극복한다는 점입니다. 이는 감응 펩타이드를 통하여 알려져있는 틀을 붕괴시키고 더 넓은 범위에서 작용할 수 있다는 것을 시사합니다. 이후에는 후속 감응 펩타이드 개발을 위해 1403 펩타이드의 차세대 버전에 다양한 전략을 도입했습니다. 미토콘드리아는 특이한 지질 조성을 가진 세포 기관으로, 특히 내부 미토콘드리아 막에서 카디올리핀이 풍부한 독특한 지질 조성을 가지고 있습니다. 차세대 전략으로 미토콘드리아의 카디올리핀에 특이적으로 붙는다고 알려져 있는 아미노산은 사이클로헥실 알라닌이라는 아미노산인데, 이 아미노산을 이용하면 미토콘드리아 내로 침투할 수 있습니다. 그리고 카디올리핀은 박테리아 외막에도 많이 분포한다고 알려져 있습니다. 따라서 우리는 사이클로헥실 알라닌을 이용하여 그람-음성균에 더욱 특이적으로 반응할 수 있는 차세대 항균 펩타이드를 개발하고자 하였습니다. 이에 8세대 펩타이드 라이브러리를 구축하였고, 항균 능력을 확인하고자 했습니다. 타겟에 대한 높은 효율을 보여주었으나, 비교적 높은 소수성으로 인해 3개 이상의 아미노산 치환은 하지 않았습니다. 2개의 아미노산을 치환했을 때의 효과는 뛰어났으며, 감응 효과는 줄었으나, 펩타이드가 갖고 있는 항균 능력은 향상된 것을 확인할 수 있었습니다. 또 다른 개발 전략으로는 프로테아제 분해에 대한 펩타이드의 안정성을 향상시키기 위함이었습니다. 프로테아제 분해에 저항력이 있는 것으로 알려져 있는 D-형태의 아미노산 치환을 포함하여 펩타이드를 디자인하였습니다. 이러한 아미노산의 치환을 거친 후에는 기존 1403 펩타이드의 알파 나선성 성질을 감소시키는 것을 목표로 하였고, 알파 나선성을 줄이기 위해 프롤린을 이용하여 걲임 정도를 증가시키고자 하였습니다. 1, 2 및 15번째 위치의 리신에서의 D-형태의 아미노산 치환은 나선 모양을 줄이는 어려운 가능성을 고려하여 생략되었습니다. 결국 9세대 펩타이드 라이브러리를 구축하는 것에 성공하였습니다. 먼저, 1901에서 1904까지의 펩타이드는 기존 1403 펩타이드 서열의 5, 8, 9 및 12번째 위치의 리신을 D-형태의 리신으로 치환한 펩타이드이며, 그 중 1, 2 및 15번째 리신은 제외했습니다. 두 번째로 1905에서 1909까지의 펩타이드는 원래 1403 펩타이드 서열에서 프롤린을 이용하여 꺾인 구조를 가질 수 있게 유도되었습니다. 또한 실험 결과를 기반으로 두 전략을 모두 적용한 두 개의 펩타이드를 합성했습니다. 1910 펩타이드는 1904와 1905 펩타이드에 적용된 합성 전략을 융합하였고, 1911 펩타이드는 1904와 1909 펩타이드에 적용된 합성 전략을 융합했습니다. 결과적으로, 1911 펩타이드의 독성이 매우 낮았고, 낮은 농도에서 감응효과도 다른 펩타이드에 비해 매우 우수했습니다. 두 전략을 결합한 새로운 펩타이드 1911을 개발함으로써 생체 내에서 안정적이고 최소한의 독성을 가진 낮은 농도에서 항균제에 대한 감응 효과를 기대할 수 있습니다.

Physicochemical characteristics and effects of nanopowdered eggshell on ovariectomy-induced osteoporosis in rats and its application into yogurt

Mijan, Mohammad Al 세종대학교 대학원 2012 국내석사

국문초록 난각나노분말의 이화학적 특성과 난소절제 흰쥐에서 항-골다공증 효과 규명 및 요구르트에 적용 연구 Mohammad Al Mijan 식품공학과 세종대학교 대학원 나노기술은 최근에 빠르게 성장하고 있으며, 특히 식품 및 의약분야에서 가까운 미래에 전도유망한 기술로 각광 받을 것으로 기대되고 있다. 화장품, 의약품 분야뿐만 아니라, 음료산업을 비롯한 식품산업에서도 다양한 생리활성물질의 생 이용율과 기능성을 향상시키기 위한 노력이 지속적으로 진행되고 있으며, 나노기술은 이에 따른 극복방안으로 떠오르고 있다. 본 연구는 3단계로 진행되었으며, 우선 난각나노분말의 이화학적특성을 분석하고, 동물실험으로 난소절제흰쥐에서 항-골다공증 효과를 규명하였으며, 마지막으로 이를 요구르트에 첨가하여 기능성 식품소재의 가능성을 검증하였다. 첫 번째 실험에서는 전계 방출형 주사전자현미경 (FE-SEM), 투과전자현미경 (TEM), dynamic vapor sorption (DVS) analyzer, X-선 회절 분석기 (XRD) and fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR)를 사용하여 이화학적 특성을 규명하였다. SEM과 TEM을 이용하여 입자의 크기와 형태를 분석한 결과 구형의 난각나노분말 입자가 응집되어 균일하게 분산되어있는 모습을 관찰하였다. 수분흡수 분석에서는 난각나노분말 (NPES)이 일반난각분말 보다 높은 흡수성을 나타내었으며, XRD 분석을 통하여 난각나노분말과 난각일반분말에 칼사이트를 포함하고 있는 것을 확인하였다. 난각나노분말과 난각일반분말의 화학적 조성은 염화칼슘 유무에 따른 큰 연관성이 있음이 나타났다. 이와 같은 결과에서 NPES가 식품 또는 의료용 소재로써, 인체에 무해하며 체내에 적응이 용이할 것으로 판단되었다. 두 번째 실험에서는 난소절제된 흰쥐를 대상으로 나노난각분말의 항-골다공증 효과에 대한 연구를 하였다. 암컷 흰쥐 7주령을 대상으로 난소절제수술을 실시한 뒤 4개의 그룹을 다음과 같이 나누었다. 모의 수술을 실행한 정상 대조군 (sham), 난소를 적출한 골다골증 유발 대조군 (OVX), 난각나노분말 (5g/kg body weight), 난각일반분말 (5g/kg body weight) 그룹으로 나누어 시료를 60일 동안 경구투여 하였다. 골밀도 측정 결과, 대조군과 비교하여 난각나노분말그룹의 경우 6.6 %, 난각일반분말그룹에서는 2.2 % 증가하였다. 난각나노분말 의 골소주는 대조군보다 12.4 %, 섬유주 수는 7.5 % 높았으나, 섬유주의 분리는 대조군 보다 14.5 % 낮았다. 혈청 분석 결과 난각나노분말에서 osteocalcin 농도는 대조군보다 22.4% 높았으며, 정상 대조군과는 차이가 없었다. 요 분석결과, 대조군과 비교하여 난각나노분말의 deoxypyridinoline 농도는 43.7 %, N-teleopeptide of type I collagen 농도는 87% 낮았다. 위에서와 같은 결과를 통해서 난각나노분말은 난소절제 흰쥐의 골다공증에 유의적인 예방효과가 있는 것으로 나타났다. 세 번째 실험에서는 난각나노분말 (0.15, 0.30, 0.45 %)을 첨가한 요구르트의 5 °C 에서 16일 동안 저장 품질변화와 안정성을 측정하였다. pH측정결과 난각나노분말 요구르트의 pH는4.31 - 4.66 이었으며, 대조군의 pH는 4.15 - 4.44이었다. 이는 나노난각분말 첨가 요구르트가 대조군과 비교하였을 때 비교적 안정한 것으로 나타났다. 난각나노분말의 유산균수는 저장기간 동안 6.56×108에서 8.56×108 CFU/ml으로 다소 증가하였으며, 대조군에 비해 낮았으나 유의적이지 않았다. 색도측정 결과 나노난각분말의 L, a, b 값은 유의적인 차이를 보이지 않았다 (p>0.05). 묘사분석을 통한 나노난각분말 첨가한 요구르트의 관능검사 결과 신 맛 (sourness)은 대조군에 비해 유의적으로 낮았으며, 떫은 맛 (astringency)은 유의적으로 높았다. 난각나노분말의 향과 맛을 나타내는Calcite값은 Control 값과 비교 하였을 때 나노난각분말 첨가 요구르트가 높았다. 그러나 전체적인 기호도 평가에서 나노난각분말 첨가 요구르트와 대조군에서 유의적 차이가 관찰되지 않았다 (p>0.05). 위와 같은 결과를 바탕으로 난각나노분말을 요구르트에 첨가할 경우 0.15 0.30 % 농도가 적합한 것으로 사료된다. 결론적으로, 난각나노분말은 난소절제 흰쥐의 골다공증모델에서 뛰어난 생체 적합성과 항-골다공증효과를 나타냈다. 또한 요구르트에 적용하였을 때, 요구르트의 품질의 영향을 주지 않았으며, 저장기간 동안 안정성은 향상되었다. 그러므로, 난각나노분말은 폐경기 이후 골다공증과 골 관련 질환에 치료효과가 있을 것으로 기대되며, 난각의 나노분말화는 난각의 생체이용률을 증가시켜, 난각나노분말은 식품에 적용하기 적합한 기능성소재로 사료된다. Abstract Physicochemical Characteristics and Effects of Nanopowdered Eggshell on Ovariectomy-Induced Osteoporosis in Rats and its Application into Yogurt Mohammad Al Mijan Department of Food Science and Technology Sejong University Nanotechnology is among the few fast growing and promising technologies that are receiving a great deal of attention for potential application in food and pharmaceutical industries. Application of nanotechnology to enhance the bioavailability and functionality of different nutritional elements in food and beverages has already become familiar. A growing interest is being focused upon the application of nanotechnology in food research with a view to improve the bioavailability of nutritional ingredients. Hence, this study has investigated the physicochemical characteristics and antiosteoporotic effects of nanopowdered eggshell (NPES) in the ovariectomized rats and the possibility of its application into yogurt. Part I of the study characterized the physicochemical properties of NPES using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), a transmission electron microscope (TEM), a particle size analyzer, a dynamic vapor sorption (DVS) analyzer, an X-ray diffractometer (XRD) and a fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). Homogeneous, aggregated and spherical shaped crystals of NPES particles were observed through SEM and TEM. The average particle sizes of NPES and powdered eggshell (PES) were 202.3±28.9 nm and 96.31±79.37µm, respectively. Zeta potentials of nanopowdered eggshell (-15.41 mV) and powdered eggshell (-22.66 mV) suggesting that both of the particles were moderately stable in colloidal system. Moisture sorption analyses indicated a higher water adsorption capacity of NPES than the PES. XRD analyses confirmed the presence of calcite in both NPES and PES. The chemical composition of the NPES and PES particles were strongly associated with the presence of calcium carbonate from the FT-IR spectra. The physicochemical properties determined in this study indicate that NPES particles possessed improved biocompatibility without any phase change. Hence, eggshell nanopowder could be utilized as a functional component in nutraceutical foods. In part II, the preventive effects of NPES on postmenopausal osteoporosis were investigated in ovariectomized rat model. Seven-week old female rats were ovariectomized and assigned to 4 groups: sham operated (sham), ovariectomized rats treated with vehicle (OVX), ovariectomized rats treated with NPES (5g/kg body wt), and PES (5g/kg body wt). The rats fed with NPES and PES exhibited 6.6% and 2.2% greater bone mineral density (BMD) than the OVX rats. Femoral microstructure manifested that the NPES group had a remarkably greater trabecular area than PES and OVX groups. Investigation of the trabecular bone in NPES ingested rats revealed a 12.4% higher bone volume (BV/TV), 7.5% higher trabecular number (Tb.N), and 14.5% lower trabecular separation (Tb.Sp) compared to OVX rats. Serum analysis demonstrated that NPES fed rats showed a significantly higher (22.4%) osteocalcin level than the OVX rats and the concentration of osteocalcin in NPES fed rats resembled that of sham rats. Analysis of urine in NPES supplemented rats revealed a 43.7% lower deoxypyridinoline (DPD) and 87% lower N-teleopeptide of type I collagen (NTX) than OVX rats. Collectively, these results indicated that NPES had significant pharmaceutical effects in preventing the ovariectomy induced severe bone loss in rats which evidenced that this ingredient could be an alternative treatment for postmenopausal osteoporosis. In part III, yogurt samples supplemented with NPES (0.15-0.45%) were examined for their quality and stability during 16 d storage at 5°C. The pH values in NPES supplemented yogurts ranged from 4.31 to 4.66 and the pH value in the control yogurt ranged from 4.15 to 4.44 which implied a substantial effect of NPES to improve the yogurt stability. The population of lactic acid bacteria (LAB) in NPES-added yogurts was little lower than that in control yogurt and were ranged from 6.56X108 to 8.56×108 cfu/mL. Color analysis showed that the L*, a* and b* values were not significantly altered by the addition of NPES. Sensory evaluation revealed that NPES-added yogurts showed a notably lower sourness score and a higher astringency score than the control one. Calcite score was found somewhat higher in NPES supplemented yogurt compared to the control one. However, overall acceptability did not differ significantly between the control and the NPES supplemented yogurts. Based on the results above, it is worth suggesting that the concentration (0.15% to 0.3%) of NPES can be used to formulate NPES supplemented yogurt. To conclude, nanogrinding did not make any phase change in the chemical composition while it improved the physicochemical properties of eggshell powder. A powerful antiosteoporotic effect of eggshell nanopowder has been demonstrated in the ovariectomized osteoporotic rat models. Due to the addition of NPES, the quality of yogurts did not deteriorate considerably while it rather improved the yogurt stability. Therefore, NPES has the potential to treat postmenopausal osteoporosis and other bone related diseases and can be considered as a functional material for food application. Key words: Nanopowdered eggshell, physicochemical properties, postmenopausal osteoporosis, ovariectomized rats, nanopowdered eggshell-supplemented yogurt.

Physicochemical properties and biological behavior of surface modified ZnO and SiO2₂ nanomaterials

김경민 Graduate School, Yonsei University 2018 국내박사

본 연구는 산화아연(ZnO)과 이산화규소(SiO₂) 나노물질을 경제협력개발기구 (organization for economic cooperation and development, OECD)의 나노물질작업반 (working party on manufactured nanomaterials, WPMN)에서 제시한 “Guidance notes on sample preparation and dosimetry for the safety testing of manufactured nanomaterials (2012)”의 기준에 따라 분석하고, 표면 개질을 통해 조절되는 물리·화학적 특성 및 생체 내 거동에 대한 연구이다. 구체적으로는 표면 개질 전·후의 ZnO 및 SiO₂ 나노물질의 표준화된 물리·화학적 파라메터를 제공하고, 나아가 세포주 및 혈장 조건에서 나노물질의 세포 내 섭취, 흡수 경로, 응집 양상들을 결정하는 파라메터를 밝혀내는데 그 목적이 있다. OECD, WPMN에서 제안한 우선 평가 대상 나노물질 14 종 중에서 ZnO 및 SiO₂를 선정하였고, 20 nm 및 70 nm의 입자 크기를 가진 제조된 ZnO 나노분말과 20 nm 및 100 nm의 입자 크기를 가진 제조된 콜로이드를 구매하였다. 생물학적 응용 분야에 활용하기 위해서, 입자 크기가 다른 ZnO 및 SiO₂ 나노물질은 인체에 무해한 아민기를 가진 유기분자 또는 아미노산으로 표면을 코팅하였고, 이를 통해 양전하 또는 음전하로 뚜렷이 구별되는 ZnO 및 SiO₂ 나노물질을 제조하였다. 연구의 전과정에 사용된 나노물질의 물리·화학적 특성은 OECD 가이드라인에서 제안한 표준평가법으로 분석되었으며, 입자 크기 및 표면 화학이 다른 ZnO와 SiO₂ 나노물질에 대한 표준화된 물리·화학적 파라메터를 도출하였다. ZnO 나노물질에 대한 생리학적 조건에서의 나노물질 자체의 안정성에 대한 고찰을 진행함으로써 균질한 입자 크기, 다양한 표면 전하 및 안정한 콜로이드 특성을 가진 나노물질의 코팅 방법과 콜로이드 안정성 평가 방법에 대해서 연구하였다. 또한, 본 연구에서는 ZnO 나노입자의 세포독성을 이해하고, 생물학적 분야에서의 응용 가능성을 탐구하기 위해서, 입자 크기가 서로 다른 ZnO 나노물질의 표면에 신뢰성 있는 표지법을 개발하였다. 일반적으로, 생체 내 추적을 위해서 나노물질에 표지를 할 때는 긴 파장 방출을 가진 형광 염료나 양자점 등을 나노입자의 표면에 부착하는 방법을 사용한다. 그러나, 형광 물질이 도입된 나노입자는 표면 개질에 따라 결정상, 입자 크기, 표면 전하 및 응집도 등과 같은 물리·화학적 성질이 변질될 수 있고, 나노입자의 표면에 부착된 형광체의 생체 내 탈착으로 인해 추적의 신뢰성 상실 문제가 제기될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 형광 염료인 Cy5.5를 ZnO 표면에 카보다이이미드 커플링을 적용하여 공유 결합으로 도입하였다. ZnO의 물리·화학적 성질이 형광 개질 전·후에도 유지되는지 분석하였고, 다양한 수용성 매질에서 도입된 염료의 안정성을 평가하였다. 이와 같이, Cy5.5 염료가 도입된 ZnO 나노입자를 이용하여 입자 크기에 따른 ZnO 나노입자의 세포내 섭취 양상 및 흡수 경로 연구를 인간 각질 형성 세포인 HaCaT 세포주 시험으로 평가하였다. 한편, SiO₂ 나노물질은 콜로이드 안정성이 확보되어 있으나, 표면이 강한 음전하를 띠고 있어 생물학적 응용성이 제한적이다. 본 연구에서는 SiO₂ 나노물질의 표면을 아민기를 가진 다양한 유기분자나 아미노산으로 개질하여 표면 전하를 조절하였으며, 에틸렌다이아민, 트리스아미노에틸아민, 아미노프로필실란, L-아르기닌 등을 사용하였다. 표면 개질에 따른 콜로이드 특성의 변화, 표면 결합 형성, 응집도의 변화 및 표면 전하 등의 물리·화학적 특성 파라메터를 OECD WPMN 기준에 의거하여 조사하여, SiO₂의 표면 개질 표준화 파라메터를 도출하였다. 한편, 표면 개질된 SiO₂ 나노물질의 생체 내 안정성을 타진하기 위하여 혈장 조건 내에서 콜로이드 분산도 및 단백질과 나노물질 간의 상호작용 여부를 연구하였다. 특히, 단백질과 나노물질 간의 상호작용은 단백질의 형광이 나노물질과의 응집 시 소광되는 현상을 이용하여 평가하였다. In this study, I analyzed zinc oxide (ZnO) and silicon dioxide (SiO₂) nanomaterials according to the criteria of “Guidance notes on sample preparation and dosimetry for the safety testing of manufactured nanomaterials (2012)” presented by Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN) in Organization for Economic Cooperation and Development (OECD), and studied on their physicochemical properties controlled via surface modification and correlation between their physicochemical parameters and in vitro/vivo behavior. Specifically, this study provides standardized physicochemical parameters of both ZnO and SiO₂ nanomaterials before and after surface coating or modification, and aims to identify the parameters which determine intracellular uptake, absorption pathway and aggregation patterns of nanomaterials in cell and plasma conditions. ZnO and SiO₂ nanomaterials were selected from among the 14 kinds of priority nanomaterials proposed by OECD, WPMN, and purchased 20 nm and 70 nm in powder and 20nm and 100 nm in colloids, respectively. In order to control the surface charge, the surface on both ZnO and SiO₂ nanomaterials with different particle sizes were coated with biocompatible organic molecules and amino acids composed of amine groups. Consequently, ZnO and SiO₂ nanomaterials with a controlled surface charge were prepared to apply in biological applications. The physicochemical properties of the nanomaterials used in the entire study were analyzed by the standard evaluation method proposed by the OECD Guidelines, and then standardized physicochemical parameters for ZnO and SiO₂ nanomaterials with different particle sizes and surface chemistry were derived. This study describes a simple method for preparation of a standard ZnO and SiO₂ sample with a controlled surface charge that can be used for biological assays without concern about any toxicity arising from the coating process. Also, this work can provide basic research data on standardized ZnO nanoparticles for biologists who intend to evaluate the toxic parameters of these nanoparticles. Through with proper deliberation for the stability of ZnO nanomaterials in physiological conditions, ZnO nanomaterials were investigated not only the coating method having uniform particle size and various surface charge, but also the evaluation method for colloidal stability. Furthermore, in order to understand the cytotoxicity and explore applicability in the biological fields of ZnO nanomaterials, a reliable labeling method was developed on the surface of ZnO nanoparticles with different size. For quantitative and qualitative cellular studies, the reliable tracing of nanoparticles is critical. Generally, fluorescent dyes or quantum dots having long wavelength emission are attached on the surface of nanoparticles for this purpose. However, surface modification of nanoparticles using a fluorophore has two major issues. First, physicochemical properties of nanoparticles, such as crystalline phase, particle size, surface charge and degree of aggregation, can be altered during surface modification reactions. In this case, dye-tagged nanoparticles cannot represent the original nanoparticles. Second, the low stability of conjugated dye on the surface of nanoparticles under biological condition can be a problem. If the attached dye moiety is desorbed, released or removed in biological fluids, the tracing of fluorescence misleads the location of nanoparticles. To avoid those concerns, I utilized successive surface modification of ZnO nanoparticles with long wavelength-emitting fluorescent dye, Cy5.5, by introducing stable covalent bond at each step. I carefully examined the preservation of physicochemical properties of ZnO through-out surface modification reactions. Furthermore, the stability of conjugated dye was evaluated in various aqueous media. Cy5.5-conjugated ZnO nanoparticles of different sizes thus obtained were subjected to in vitro cell line testing to investigate their cellular uptake responses and uptake pathways. On the other hand, the SiO₂ nanomaterials are stably secured in colloid, but limited their biological applicability due to have a strong negative charge on the surface. Considering the strong negative surface charge of silica, cationic coating agents such as amine containing molecules, multivalent metal cation, and basic amino acids were tested. According to surface modification, the parameters of physicochemical properties such as surface charge, surface bond formation, change of cohesion and colloidal property were investigated based on OECD WPMN guideline. In order to investigate the in vivo stability for surface modified SiO₂ nanomaterials, I investigated the colloid dispersion and interaction between proteins and nanomaterials in plasma conditions. In particular, the interaction between proteins and SiO₂ nanomaterials was evaluated using the phenomenon that the fluorescence of the protein was extinguished when aggregated with nanomaterials.