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

국문 초록 (Abstract)

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

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. agglomeration behavior of iron (III) oxide nanopowder at in vitro digestion 4
• Abstract 4
• 1.Introduction 6
• 2.Materials and Methods 9
• 2.1.Materials 9
• 2.2.Physicochemical properties measurement 9
• 2.2.1.Scanning electron microsocopy (SEM) 9
• 2.2.2.Surface modification of iron (III) oxide powders 9
• 2.2.3.Particle size dispersion measurement 10
• 2.2.4.Zeta-potential measurement 10
• 2.3.In vitro digestion test 11
• 2.3.1.In vitro digestion test 11
• 2.3.2.Time-dependent agglomeration during in vitro digestion condition 11
• 2.3.3.Zeta-potential measurement after in vitro digestion test 12
• 2.3.4.Re-dispersion of iron (III) oxide suspension after in vitro digestion test 12
• 2.3.5.Particle size dispersion measurement of re-dispersion 12
• 3. Results and Discussion 14
• 3.1.Physicochemical properties of iron (III) oxide powder 14
• 3.1.1.Scanning electron microscopy 14
• 3.1.2.Particle size dispersion 18
• 3.1.3.Zeta-potential 21
• 3.2. In vitro digestion 23
• 3.2.1.Time-dependent agglomeration during in vitro digestion 23
• 3.2.2.Zeta-potential of iron (III) oxide after in vitro digestion 25
• 3.2.3.Particle size dispersion of re-dispersion iron (III) oxide after in vitro digestion 27
• 4.Conclusions 29
• Chapter 3. Release property of red-ginseng nanopowder at in vitro digestion 30
• Abstract 30
• 1.Introduction 32
• 2.Materials and Methods 34
• 2.1.Preparation of red-ginseng nanopowder 34
• 2.2.Physicochemical properties measurement 34
• 2.2.1.Transmission electron microscopy (TEM) 34
• 2.2.2.Particle size dispersion measurement 34
• 2.2.3.Zeta-potential measurement 35
• 2.2.4.DVS isotherm plot 35
• 2.2.5.Specific surface area 35
• 2.3.In vitro digestion test 36
• 2.3.1.In vitro digestion test 36
• 2.3.2.Time-dependent release property during in vitro digestion 36
• 3.Results and Discussion 38
• 3.1.Physicochemical properties of red-ginseng powder 38
• 3.1.1.Transmission electron microscopy (TEM) 38
• 3.1.2.Particle size dispersion 41
• 3.1.3.Zeta-potential 43
• 3.1.4.DVS isotherm plot 463.1.5.Spepcific surface area 50
• 3.2.In vitro digestion 52
• 3.2.1.Time-dependent release property during in vitro digestion 52
• 4.Conclusions 54
• References 55
• Summary 60