stringtranslate.com

Альгиновая кислота

Macrocystis pyrifera , крупнейший вид гигантских водорослей

Альгиновая кислота , также называемая альгином , является природным съедобным полисахаридом, содержащимся в бурых водорослях . Она гидрофильна и образует вязкую смолу при гидратации. Когда альгиновая кислота связывается с ионами натрия и кальция, полученные соли известны как альгинаты . Ее цвет варьируется от белого до желтовато-коричневого. Она продается в нитевидной, гранулированной или порошкообразной форме.

Это важный компонент биопленок, продуцируемых бактерией Pseudomonas aeruginosa , основным патогеном, обнаруженным в легких некоторых людей, страдающих муковисцидозом . [1] Биопленка и P. aeruginosa обладают высокой устойчивостью к антибиотикам , [2] но восприимчивы к ингибированию макрофагами . [3]

Альгинат был открыт британским ученым-химиком Э. К. Стэнфордом в 1881 году, и в том же году он запатентовал процесс его экстракции. [4] В оригинальном патенте альгинат извлекался путем первого замачивания водорослей в воде или разбавленной кислоте, затем извлечения альгината путем замачивания его в карбонате натрия и, наконец, осаждения альгината из раствора. [5] [ требуется лучший источник ]

Структура

Альгиновая кислота представляет собой линейный сополимер с гомополимерными блоками (1→4)-связанных остатков β-D- маннуроната (M) и α-L- гулуроната (G), соответственно, ковалентно связанных вместе в различных последовательностях или блоках. Мономеры могут появляться в гомополимерных блоках последовательных остатков G (G-блоки), последовательных остатков M (M-блоки) или чередующихся остатков M и G (MG-блоки). α-L-гулуронат представляет собой эпимер C-5 β-D-маннуроната. [ необходима цитата ]

Формы

Альгинаты получают из бурых морских водорослей . Во всем мире многие бурые морские водоросли класса Phaeophyceae собирают для переработки и превращения в альгинат натрия. Альгинат натрия используется во многих отраслях промышленности, включая пищевую, животноводческую, производство удобрений, текстильную печать и фармацевтику. Материал для стоматологических слепков использует альгинат в качестве средства гелеобразования. Пищевой альгинат является одобренным ингредиентом в обработанных и изготовленных пищевых продуктах. [6]

Бурые водоросли различаются по размеру от гигантской ламинарии Macrocystis pyrifera , которая может достигать 20–40 метров в длину, до толстых, кожаных водорослей длиной 2–4 м и более мелких видов длиной 30–60 см. Большинство бурых водорослей, используемых для альгинатов, собираются в дикой природе, за исключением Laminaria japonica , которая выращивается в Китае для употребления в пищу, а ее излишки направляются в альгинатную промышленность в Китае.

Альгинаты из разных видов бурых водорослей различаются по своей химической структуре, что приводит к разным физическим свойствам альгинатов. Некоторые виды дают альгинат, который дает сильный гель , другие — более слабый гель, некоторые могут давать кремовый или белый альгинат, в то время как другие трудно гелеобразуются и лучше всего подходят для технических применений, где цвет не имеет значения. [7]

Коммерческий сорт альгината извлекается из гигантских водорослей Macrocystis pyrifera , Ascophyllum nodosum и видов Laminaria . Альгинаты также производятся двумя бактериальными родами Pseudomonas и Azotobacter , которые сыграли важную роль в раскрытии пути его биосинтеза . Бактериальные альгинаты полезны для производства микро- или наноструктур, подходящих для медицинских применений. [8]

Альгинат натрия (NaC 6 H 7 O 6 ) — натриевая соль альгиновой кислоты. Альгинат натрия — это камедь.

Альгинат калия ( KC6H7O6 ) — калиевая соль альгиновой кислоты .

Альгинат кальция (CaC 12 H 14 O 12 ) — кальциевая соль альгиновой кислоты. Получается путем замены иона натрия в альгинате натрия на ион кальция ( ионный обмен ).

Производство

Производственный процесс, используемый для извлечения альгинатов натрия из бурых водорослей, делится на две категории: 1) метод с использованием альгината кальция и 2) метод с использованием альгиновой кислоты. [ необходимо разъяснение ]

Химически процесс прост, но трудности возникают из-за физического разделения, необходимого между слизистыми остатками из вязких растворов и отделением гелеобразных осадков, которые удерживают большие объемы жидкости внутри своей структуры, поэтому они не поддаются фильтрации и центрифугированию . [9] Обычный процесс включает в себя большое количество реагентов и растворителей, а также трудоемкие этапы. [4] Более простые и новые методы, такие как микроволновая экстракция, ультразвук, высокое давление, экстракция жидкости под давлением и экстракция с помощью ферментов, являются предметом исследований. [4]

Наиболее распространенный, традиционный процесс экстракции включает шесть этапов: предварительная обработка биомассы водорослей, кислотная обработка, щелочная экстракция, осаждение, отбеливание и сушка. [4] Предварительная обработка в основном направлена ​​либо на разрушение клеточной стенки, чтобы помочь извлечь альгинат, либо на удаление других соединений и загрязняющих веществ из водорослей. [4] Сушка относится к первому виду, также помогая предотвратить рост бактерий; высушенные водоросли также обычно измельчаются в порошок, чтобы обнажить большую площадь поверхности. [4] Обычные методы удаления загрязняющих веществ включают обработку этанолом и формальдегидом , последний из которых очень распространен; растворы этанола помогают удалить соединения, связанные с альгинатом, а растворы формальдегида помогают предотвратить ферментативные или микробные реакции. [4]

Затем водоросли обрабатывают кислотным раствором, чтобы разрушить клеточные стенки, что преобразует соли альгината в нерастворимую альгиновую кислоту; затем применяется щелочной раствор (pH 9-10), обычно карбонат натрия , который преобразует его обратно в водорастворимый альгинат натрия, который затем выпадает в осадок. [4] Также возможно извлечь альгинат напрямую с помощью щелочной обработки, но это встречается реже. [4]

Альгиновую кислоту обычно осаждают с помощью различных методов, либо спиртом (обычно этанолом), либо хлоридом кальция , либо соляной кислотой . [4] После того, как альгинин осаждается в тонкую пасту, его сушат, измельчают до желаемого размера зерна и, наконец, очищают с помощью различных методов. [4] Коммерческий альгинат для биомедицинского и фармацевтического использования извлекается и очищается с помощью более строгих методов, но это коммерческая тайна. [4]

Производные

Могут быть получены различные материалы на основе альгината, включая пористый каркасный материал, альгинатный гидрогель, нетканый материал и альгинатные мембраны. [10] Методы, используемые для их производства, включают ионное сшивание, микрофлюидное прядение, сублимационную сушку, мокрое прядение и иммерсивное центробежно-струйное прядение. [10]

Соль кальция [ необходимо разъяснение ] может быть выпущена в виде капель в раствор альгината кальция, чтобы вызвать ионную сшивку, которая производит гидрогель. Лиофилизация гидрогеля для устранения воды производит пористый материал каркаса. [10]

Мокрое прядение состоит из выдавливания раствора альгината из фильеры в раствор соли кальция для индуцирования ионной сшивки (образования геля), а затем вытягивания волокон из ванны с помощью вытяжных роликов. Микрофлюидное прядение, более простая и экологичная реализация процесса, включает введение потоков соли кальция, текущих вдоль и соприкасающихся с центральным «ядровым» потоком альгината. Эти потоки образуют «оболочку». Затем волокно выходит из потока ядра. Этот метод может использоваться для производства формованных и рифленых волокон. [10]

Изготовление альгинатного нетканого материала методом акупунктуры

Альгинатное волокно, которое используется в ткани, обычно производится либо посредством микрофлюидного прядения, либо мокрого прядения, либо электропрядения для получения более тонких волокон. [10] Ткань, которая может использоваться для перевязок ран и других целей, производится путем кардочесания и последующей иглопробивки [ необходимо разъяснение ] волокон. [10]

Использует

По состоянию на 2022 год альгинат стал одним из наиболее предпочитаемых материалов как распространенный природный биополимер. [10] Он особенно полезен как биоматериал из-за своей нетоксичности, гигроскопичности и биосовместимости , а также может имитировать местную биосреду; его продукт распада может легко выводиться почками. [10]

Альгинат быстро впитывает воду, что делает его полезным в качестве добавки в обезвоженные продукты, такие как средства для похудения , а также в производстве бумаги и текстиля. [ необходима цитата ]

Альгинат также используется для гидроизоляции и огнестойкости тканей, в пищевой промышленности в качестве загустителя для напитков, мороженого, косметики, в качестве желирующего агента для желе, известного под кодом E401 и колбасных оболочек. [11] [12] Альгинат натрия смешивают с соевым белком для получения аналога мяса . [13]

Альгинат используется в качестве ингредиента в различных фармацевтических препаратах, таких как Гавискон , в котором он сочетается с бикарбонатом для подавления гастроэзофагеального рефлюкса . [ необходима ссылка ]

Альгинат натрия используется в качестве материала для изготовления слепков в стоматологии , протезировании , литье под давлением , а также для создания позитивов для мелкосерийного литья . [ необходима ссылка ]

Альгинат натрия используется в печати реактивными красителями и в качестве загустителя для реактивных красителей в текстильной трафаретной печати . ​​[ требуется ссылка ] Альгинаты не реагируют с этими красителями и легко смываются, в отличие от загустителей на основе крахмала . Он также служит материалом для микрокапсулирования . [14]

Альгинат кальция используется в различных типах медицинских изделий, включая повязки для кожных ран , способствующие заживлению, [15] [16] и может быть удален с меньшей болью, чем обычные повязки. [ необходима цитата ]

Альгинатные гидрогели

В исследованиях по реконструкции костей альгинатные композиты обладают благоприятными свойствами, способствующими регенерации, такими как улучшенная пористость , пролиферация клеток и механическая прочность . [17] Альгинатный гидрогель является распространенным биоматериалом для биопроизводства каркасов и регенерации тканей. [18]

Ковалентное присоединение тиоловых групп к альгинату позволяет получить высокие in situ гелеобразующие и мукоадгезивные свойства. Тиолированный полимер ( тиомер ) образует дисульфидные связи в своей полимерной сети и с богатыми цистеином субдоменами слизистого слоя. [19] Тиолированные альгинаты используются в качестве in situ гелеобразующих гидрогелей, [20] и находятся на стадии предварительных исследований в качестве возможных мукоадгезивных систем доставки лекарств. [21] Альгинатные гидрогели могут использоваться для доставки лекарств, реагируя на изменения pH, температуры, окислительно-восстановительный потенциал и присутствие ферментов. [22]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Дэвис, Дж. К. (2002). «Pseudomonas aeruginosa при муковисцидозе: патогенез и персистенция». Pediatric Respiratory Reviews . 3 (2): 128–34. doi :10.1016/S1526-0550(02)00003-3. ISSN  1526-0542. PMID  12297059.
  2. ^ Boyd, A; Chakrabarty, AM (1995). «Биопленки Pseudomonas aeruginosa: роль экзополисахарида альгината». Журнал промышленной микробиологии . 15 (3): 162–8. doi : 10.1007/BF01569821 . ISSN  0169-4146. PMID  8519473. S2CID  42880806.
  3. ^ Leid, JG; Willson, CJ; Shirtliff, ME; Hassett, DJ; Parsek, MR; Jeffers, AK (1 ноября 2005 г.). «Экзополисахаридный альгинат защищает бактерии биопленки Pseudomonas aeruginosa от опосредованного IFN-гамма макрофагами уничтожения» (PDF) . Journal of Immunology . 175 (11): 7512–8. doi : 10.4049/jimmunol.175.11.7512 . ISSN  0022-1767. PMID  16301659. S2CID  1011606.
  4. ^ abcdefghijkl Bojorges, Hylenne; López-Rubio, Amparo; Martínez-Abad, Antonio; Fabra, María José (2023-10-01). "Обзор процессов экстракции альгината: влияние на молекулярную структуру альгината и техно-функциональные свойства". Trends in Food Science & Technology . 140 : 104142. doi : 10.1016/j.tifs.2023.104142. hdl : 10261/336757 . ISSN  0924-2244.
  5. ^ Перейра, Леонель; Котас, Жуан (05 февраля 2020 г.), «Вводная глава: Альгинаты - общий обзор», Альгинаты - недавнее использование этого природного полимера , IntechOpen, ISBN 978-1-78985-642-2, получено 2024-08-06
  6. ^ "Альгинаты" (PDF) . Служба сельскохозяйственного маркетинга, Министерство сельского хозяйства США. 5 февраля 2015 г. Получено 1 марта 2018 г.
  7. ^ Технический документ ФАО по рыболовству 441, Тевита Байнилога-младший, Химический факультет, Университетский колледж, Университет Нового Южного Уэльса и Академия вооруженных сил Австралии, Канберра, Австралия
  8. ^ Remminghorst и Rehm (2009). "Микробное производство альгината: биосинтез и применение". Микробное производство биополимеров и предшественников полимеров . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-36-3.
  9. ^ Технический документ ФАО по рыболовству, 2003 г.
  10. ^ abcdefgh Чжан, Сяолинь; Ван, Синьрань; Фань, Вэй; Лю, И; Ван, Ци; Вэн, Линь (2022-08-08). «Изготовление, свойства и применение волокон альгината кальция: обзор». Полимеры . 14 (15): 3227. doi : 10.3390/polym14153227 . ISSN  2073-4360. PMC 9371111. PMID 35956740  . 
  11. ^ "Что такое альгинат натрия (E401) в пище? Свойства, применение, безопасность". FOODADDITIVES . 14 мая 2020 г.
  12. ^ Цинь, Иминь (17 июля 2018 г.). Биоактивные водоросли для пищевых применений. doi :10.1016/C2016-0-04566-7. ISBN 978-0-12-813312-5. Архивировано из оригинала 2023-11-09.
  13. ^ Арасаки, Сейбин; Арасаки, Теруко (январь 1983). Низкокалорийные, высокопитательные овощи из моря (1-е изд.). Токио, Япония: Japan Publications, Inc. стр. 35. ISBN 0-87040-475-X.
  14. ^ Айзпуруа-Олайзола, Ойер; Наварро, Патрисия; Вальехо, Азиер; Оливарес, Майтане; Эчебаррия, Нестор; Усобиага, Аресац (1 января 2016 г.). «Микроинкапсулирование и стабильность при хранении полифенолов из отходов винограда Vitis vinifera». Пищевая химия . 190 : 614–621. doi :10.1016/j.foodchem.2015.05.117. ПМИД  26213018.
  15. ^ Lansdown AB (2002). «Кальций: потенциальный центральный регулятор заживления ран в коже». Wound Repair Regen . 10 (5): 271–85. doi :10.1046/j.1524-475x.2002.10502.x. PMID  12406163. S2CID  10092676.
  16. ^ Штуббе, Биргит; Миньон, Арн; Деклерк, Хайди; Влиерберге, Сандра Ван; Дюбрюэль, Питер (2019). «Разработка желатин-альгинатных гидрогелей для лечения ожоговых ран». Macromolecular Bioscience . 19 (8): 1900123. doi :10.1002/mabi.201900123. ISSN  1616-5195. PMID  31237746. S2CID  195355185.
  17. ^ Venkatesan, J; Bhatnagar, I; Manivasagan, P; Kang, KH; Kim, SK (2015). «Альгинатные композиты для инженерии костной ткани: обзор». International Journal of Biological Macromolecules . 72 : 269–81. doi : 10.1016/j.ijbiomac.2014.07.008. PMID  25020082.
  18. ^ Rastogi, Prasansha; Kandasubramanian, Balasubramanian (2019-09-10). "Обзор биопечати гидрогеля на основе альгината для применения в тканевой инженерии". Biofabrication . 11 (4): 042001. Bibcode : 2019BioFa..11d2001R. doi : 10.1088/1758-5090/ab331e. ISSN  1758-5090. PMID  31315105. S2CID  197543168.
  19. ^ Leichner, C; Jelkmann, M; Bernkop-Schnürch, A (2019). «Тиолированные полимеры: биоинспирированные полимеры, использующие одну из самых важных мостиковых структур в природе». Adv Drug Deliv Rev. 151–152: 191–221. doi :10.1016/j.addr.2019.04.007. PMID  31028759. S2CID  135464452.
  20. ^ Xu, G; Cheng, L; Zhang, Q; Sun, Y; Chen, C; Xu, H; Chai, Y; Lang, M (2016). «In situ тиолированный альгинатный гидрогель: мгновенное образование и его применение при гемостазе». J Biomater Appl . 31 (5): 721–729. doi :10.1177/0885328216661557. PMID  27485953. S2CID  4267830.
  21. ^ Кассем, AA; Исса, DA; Котри, GS; Фарид, RM (2017). «Многослойные мукоадгезивные пленки метформина на основе тиолированного альгината для местной доставки в карман: характеристика in vitro и клиническая оценка». Drug Dev. Ind. Pharm . 43 (1): 120–131. doi : 10.1080/03639045.2016.1224895. PMID  27589817. S2CID  25076932.
  22. ^ Абасализаде, Фархад; Могаддам, Севиль; Ализаде, Эффат; Фазлжу, Мохаммад; Торбати, Мохаммадали; Акбарзаде, Абольфазл (13 марта 2020 г.). «Гидрогели на основе альгината как средства доставки лекарств при лечении рака и их применение в перевязочных материалах и 3D-биопечати». Журнал биологической инженерии . 14 (8): 8. doi : 10.1186/s13036-020-0227-7 . PMC 7069202. PMID  32190110 . 

Внешние ссылки