KR20180002248A - 오브알부민 나노복합입자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20180002248A KR1020160081488A KR20160081488A KR20180002248A KR 20180002248 A KR20180002248 A KR 20180002248A KR 1020160081488 A KR1020160081488 A KR 1020160081488A KR 20160081488 A KR20160081488 A KR 20160081488A KR 20180002248 A KR20180002248 A KR 20180002248A
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Abstract

본 발명은 커큐민의 용해도가 향상된 오브알부민 나노복합입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오브알부민과 커큐민의 소수성 상호 작용을 통하여 커큐민이 오브알부민에 의해 캡슐화되어 오브알부민 나노복합 입자를 형성하는 오브알부민 나노복합입자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 오브알부민 나노복합입자는 수용액 상태에서 오브알부민과 커큐민의 소수성 상호 작용을 통하여 오브알부민 나노복합입자를 형성하여 커큐민의 물에 대한 용해도가 증가하고 그 결과 생체내 생리활성의 증가를 기대할 수 있어 커큐민-오브알부민 나노복합입자를 이용한 커큐민의 의약품, 화장품 및 기능성식품 원료로의 활용도를 높일 수 있다.

Description

오브알부민 나노복합입자 및 이의 제조방법{OVALBUMIN NANOPARTICLES AND PREPARING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 커큐민의 용해도가 향상된 오브알부민 나노복합입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오브알부민과 커큐민의 소수성 상호 작용을 통하여 커큐민이 오브알부민에 의해 캡슐화되어 오브알부민 나노복합입자를 형성하고, 이에 의하여 커큐민의 물에 대한 용해도가 증가 되는 것인 오브알부민 나노복합입자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 커큐민이 매우 높은 복용량에도 높은 안전성을 가지며, 산화 방지제, 항균제, 항염증제, 항암제로 이용이 가능하고 또한 HIV, 제2형 당뇨병, 류머티스성 관절염, 다발성 경화증, 알츠하이머 병, 아테롬성 동맥 경화증 및 다른 만성 질환에 대하여 다수의 잠재적인 생리활성을 보유하고 있기 때문에, 커큐민에 대한 연구적 관심이 높아지고 있다.
강황(Curcuma longa)의 뿌리 줄기에서 추출한 커큐민(curcumin)[1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyβphenyl)-1,6-hepadiene-3,5-dione]은 널리 남쪽, 동남아시아 및 세계의 다른 열대 지역에서 재배되고 있으며, 특히 남아시아 여러 나라의 요리에서 향신료로 사용되어 왔으며, 또한 천 년 동안 커큐민의 미정제 형태로 아시아 전통 의학의 유효 성분으로 사용되었다.
구조적으로, 커큐민은 메틸렌 브릿지로 연결된 두 개의 페룰산(ferulic acid) 잔기를 포함하는 저분자량(368.37 Da) diferuloyl methane분자이다. 여기서 유익한 생리활성은 주로 벤젠 고리의 히드록실기(hydroxyl groups), 알켄의 이중 결합과 중앙 β-디케톤(β-diketone) 부분에서 비롯되는 것으로 주장된다.
커큐민이 다양한 타겟과 물리적으로 상호작용이 가능하고, 발현성 분자(pleiotropic molecule)로 간주됨에도 불구하고, 빈약한 생체 이용률의 원인이 되는 낮은 수용해와 흡수율 및 빠른 신진 대사는 이러한 커큐민의 효과를 생체 내에서 발현시키는데 방해가 된다.
이러한 문제점을 해결하여 커큐민의 용해도 및 생체 이용률을 개선하기 위하여 과거 수년 동안 지금까지 고분자 복합체, 고체-지질 나노 입자, 고분자 나노 입자, 고분자 미셀, 나노젤, 자가 조립 및 자성 나노 입자와 같은 다양한 나노 제제로의 캡슐화를 통한 여러 가지 형태의 노력이 수행되어 오고 있다. 더 나아가, 소혈청 알부민, 인혈청 알부민, β-락토글로불린, 카제인, 콩 단백질, β-아밀로이드 펩티드 및 헤모글로빈과 같은 단백질과 커큐민의 결합은 커큐민의 치료 효능을 향상시키기 위하여 연구되고 있다.
오브알부민(Ovalbumin)은 주요 난백 단백질 성분으로 385개의 아미노산 잔기로 구성된 인산화 및 당화 구상단백질(44.5 kDa)이다. 오브알부민은 독특한 구조적 기능(겔화, 유체화 및 기포 안정성) 및 높은 영양 가치로 인하여 중요한 식품 원료로 가장 널리 사용된다. 생리 활성 저분자와 상호 작용하는 오브알부민의 전위와 그에 따른 나노입자 안정화는 최근 몇 편의 문헌에서 조사되었다.
예를 들어, Wang et al.,(2013)은 형광분석법에 의하여 오브알부민과 세 가지 알칼로이드(카페인, 테오필린(theophylline) 및 디프로필린(diprophylline))의 상호 작용을 연구하였고, 나노입자의 안정화는 반 데르 발스 힘과 수소 결합에 의하여 주로 유도되는 것으로 추정되었다. 녹차에 함유된 성분 중 하나인 에피갈로카테킨갈레트(Epigallo-catechin 3-gallate)는 오브알부민 표면에 특이적으로 높은 친화성 부위 및 비특이적 흡착을 통하여 결합하는 것으로 보고되고, 이는 β-sheet 구조의 증가와 랜덤 코일 함량의 감소와 같은 오브알부민의 구조적 변화와 관련되어 있다.
또한, Shen. F et al.,(2014)은 pH가 1.2 내지 7.5에서 오브알부민-녹차 폴리페놀의 상호 작용을 연구하였으며, 여기서 pH 1.2에 비하여 pH 7.5에서 강한 결합 친화성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 산성 pH에서 감소된 결합 친화성은 오브알부민과 폴리페놀의 유사한 총 양전하(net positive charges)의 반발작용 및 오브알부민의 느슨해진 구조(looser conformation)에서 기인한다.
그러나 오브알부민과 커큐민의 상호 작용은 아직 연구된 바가 없다.
본 발명자들은 커큐민의 용해도를 개선하기 위한 연구를 수행하던 중, UV-Vis 분광 광도 측정법, 형광 분광 분석, 동적 광산란 (DLS) 및 투과 전자 현미경(TEM)과 같은 여러 가지 기술에 의해 수용액 상태에서 오브알부민과 커큐민의 소수성 상호 작용을 통하여 나노복합입자(nanoparticle)를 형성할 수 있음을 확인하였다.
이에 본 발명은 커큐민의 용해도를 높이기 위해 오브알부민과 커큐민의 소수성 상호 작용을 통하여 커큐민과 오브알부민이 결합 된 새로운 구조의 나노 복합 입자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
커큐민; 및
상기 커큐민의 표면을 캡슐화하는 오브알부민;을 포함하는
오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 상기 커큐민과 상기 오브알부민은 수용액 상태에서 소수성 상호작용에 의해 결합하는 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 상기 소수성 상호작용은 커큐민의 아릴기와 오브알부민의 소수성 아미노산 잔기에서 이루어지는 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 상기 오브알부민의 소수성 아미노산 잔기는 트립토판 또는 티로신인 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 상기 오브알부민 나노복합입자에서 오브알부민의 단백질 3차구조가 유지되는 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자의 상기 오브알부민 대 커큐민의 결합비율은 1: 1.4 내지 1.6 인 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 상기 오브알부민 나노복합입자의 평균 지름이 30 내지 100nm인 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, pH가 6.5 내지 7.0에서 제타 전위는 -35 내지 -30mV인 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 오브알부민의 자가-응집(self-aggregation)에 의해서 형성되는 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 상기 오브알부민의 자가-응집에 의하여 형성된 소수성 미세환경(hydrophobic microenvironment)에 커큐민이 혼입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 입자 내의 오브알부민의 몰농도가 증가할수록 UV 흡수 스펙트럼시 533nm에서 나타나는 숄더 피크의 강도가 감소하는 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 입자 내의 오브알부민의 몰농도가 증가할수록 steady state 형광 스펙트럼에서의 최대 발광 파장이 500nm 내지 550nm 범위에서 블루시프트 되는 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 오브알부민 나노복합입자 내의 오브알부민의 몰농도가 증가할수록 동기형광분석법(Synchronous fluorescence spectroscopy)에서 티로신(Δλ= 15nm) 및 타이로신(Δλ= 60nm)의 형광강도가 감소하는 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 오브알부민 나노복합입자 내의 오브알부민의 몰농도가 증가할수록 동기형광분석법(Synchronous fluorescence spectroscopy)에서 티로신(Δλ= 15nm) 및 타이로신(Δλ= 60nm)의 최대발광파장은 각각 310nm 내지 320nm 및 350nm 내지 360nm 사이에서 관찰되는 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 형광소광분석시 280nm, 295nm의 excitation 파장에서 발광 최대 피크는 320nm 내지 340nm사이에 존재하는 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자에 있어서, 상기 발광 최대 피크는 오브알부민 나노복합입자 내의 커큐민의 농도가 증가할수록 감소하는 것인 오브알부민 나노복합입자를 제공한다.
본 발명은 또한,
오브알부민 및 커큐민을 각각 증류수 및 에탄올에 용해하여 오브알부민 스톡 용액 및 커큐민 스톡 용액을 제조하는 단계;
상기 커큐민 스톡 용액과 오브알부민 스톡 용액을 혼합하는 단계; 및
상기 혼합액을 10분 내지 30분간 15 내지 30℃ 의 온도에서 초음파 처리를 하는 단계;를 포함하는 오브알부민 나노복합입자 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노복합입자 제조방법에 있어서, 상기 커큐민 에탄올 용액과 오브알부민 수용액은 1:5 내지 2:1 몰농도 비율로 혼합되는 것인 오브알부민 나노복합입자 제조방법을 제공한다.
오브알부민 나노복합입자는 수용액 상태에서 오브알부민과 커큐민의 소수성 상호 작용을 통하여 오브알부민 나노복합입자를 형성하여 커큐민의 물에 대한 용해도가 증가하고 그 결과 생체 내 생리활성의 증가를 기대할 수 있어 오브알부민 나노복합입자를 이용한 커큐민의 의약품, 화장품 및 기능성식품 원료로의 활용도를 높일 수 있다.
도 1은 오브알부민 나노복합입자의 유체역학적 크기와 PDI (polydispersity index)를 오브알부민 농도 함수(A), 커큐민 농도 함수(B)로 나타낸 그래프, 제타 전위를 커큐민 농도 함수(C)로 나타낸 그래프이다.
도 2는 10μM(A,B), 100μM(C,D) 커큐민 농도에서 오브알부민 나노복합입자의 TEM 이미지를 나타낸다. 크기는 ImageJ software (free version)을 사용하여 측정하였다.
도 3은 10μM 커큐민과 0 ~ 100μM 오브알부민에 의해 제조된 오브알부민 나노복합입자의 UV-Visible spectra(A), 결합상수의 측정을 위한 Benesi-Hildebrand plot(B), Fluorescence emission spectra(λex= 425 nm)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 50μM 오브알부민의 고유형광강도(Intrinsic fluorescence intensity)를 커큐민 농도 함수로 나타낸 그래프이다. [λex= 280 nm(A) and λex= 295 nm(B)]
도 5는 오브알부민 나노복합입자의 형광소광상수(fluorescence quenching constant)를 결정하기 위한 Stern-Volmer plot 그래프이다. [λex= 280 nm(A) and λex= 295 nm(B)]
도 6은 F0/(F0-F)를 1/CU농도 함수로 나타낸 plot 그래프이다. [λex= 280 nm(A) and λex= 295 nm(B)]
도 7은 log(F0-F)/F를 log[CU] 함수로 나타낸 plot 그래프이다. [λex= 280 nm(A) and λex= 295 nm(B)]
도 8은 50μM 오브알부민 수용액의 동시화 형광 방출 스펙트럼을 커큐민 농도 함수로 나타낸 그래프(Δλ= 15nm for the tyrosine residues(A) and at Δλ= 60 nm for the tryptophan residues(B)), 커큐민 농도 변화에 따른 동시 형광 방출 스펙트럼(Synchronous fluorescence emission spectra)의 변화를 나타낸 그래프(C)이다.
도 9는 50μM 오브알부민(λex= 280nm)의 고유형광강도(Intrinsic fluorescence intensity)를 NaCl 농도 함수로 나타낸 그래프이다. (A는 커큐민을 처리하지 않은 경우, B는 10μM 커큐민을 처리한 경우)
도 10은 50μM 오브알부민(λex= 280nm)의 고유형광강도(Intrinsic fluorescence intensity)를 요소(Urea) 농도 함수로 나타낸 그래프이다. (A는 커큐민을 처리하지 않은 경우, B는 10μM 커큐민을 처리한 경우)
도 11은 50μM 오브알부민과 10μM 커큐민으로 수용액 상태에서 제조된 오브알부민 나노복합입자의 UV-Visible spectra를 시간의 함수로 나타낸 그래프(A), 425nm에서 최대흡수의 변화를 시간의 함수로 나타낸 그래프(B)이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 구현예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이고, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 달리 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 안 될 것이다.
< 실시예 > 오브알부민 나노 복합 입자 제조
1. 재료의 준비
커큐민은 울금(Turmeric)으로부터 분리된 제품을 사용하였고, 난백 알부민(OA) 단백질은 ≥65 % 및 ≥98 % 순도의 닭고기 달걀 흰자위(MW: 44287 Da)로 분리된 제품을 사용하였으며, 각각 상용 공급 업체(Sigma-Aldrich)에서 구입하였으며 더 이상의 정제 없이 사용하였다.
다른 모든 화학 물질은 분석용 등급이었고, 2차 증류수는 분산액을 제조하는데 사용하였다.
2. 오브알부민 나노복합입자의 제조
오브알부민을 증류수에 용해하여 오브알부민 0.1mM 스톡 분산액을 제조하고 0 내지 100 μM의 농도로 희석하였다.
커큐민은 물에 난용성이므로, 에탄올에 5mM 의 농도로 용해 시킨 커큐민 에탄올 용액을 커규민 스톡 용액으로 사용하였다.
오브알부민 나노 복합 입자를 제조하기 위하여, 상기 커규민 스톡과 상기 오브알부민 스톡 용액을 커큐민이 0 내지 100μM 농도가 되도록 혼합하였다. 혼합물을 측정 전 30분간, 25℃의 온도에서 초음파 처리 하였다.
< 실험예 > 오브알부민 나노복합입자의 DLS 크기 측정
DLS(dynamic light scattering) 방법에 의해 일정한 커큐민 농도(10μM)에서 오브알부민 농도를 10 내지 100μM로 변화시키면서 오브알부민 나노 복합 입자의 크기를 측정하였으며, 그 결과를 도 1A 및 도 1B에 표시하였다. 측정된 나노 입자의 사이즈는 부피 평균 지름(the volume average mean diameter, d 4,3 )으로 표현되었다.
도 1A 에서 10μM 오브알부민과 커큐민이 동일한 몰 농도로 혼합되는 경우 나노 입자의 지름(d 4,3 )은 5.54 ± 1.02 nm, PDI(polydispersity index)는 0.34 ± 0.07로 나타나며, 이는 대부분의 오브알부민이 응집되지 않고 단일 단백질로 존재함을 나타낸다.
그러나 혼합되는 오브알부민 농도가 증가함에 따라, 나노 복합 입자의 사이즈가 증가하고, 오브알부민 농도가 50μM 에서 나노 복합 입자의 크기가 35nm로 더 이상 증가하지 않는 것이 확인되었다.
이러한 결과들은 오브알부민의 자기 조립 단백질 응집(self-assembled protein aggregation)이 분자간 상호 작용을 통해 발생하는 것을 나타내며, 커큐민 분자는 자기 조립된 오브알부민에 자연스럽게 삽입되는 것을 나타낸다.
< 실험예 > 오브알부민 나노복합입자의 유체 역학적 평균 크기 측정
오브알부민 나노 복합 입자의 유체 역학적 평균 지름(d 4, 3 nm)은 Zetasizer Nano ZS (Malvern, Korea)를 사용하여 측정하였고, 상기 장치에 제공되는 소프트웨어를 사용하여 아래와 같이 계산 하였다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 지름이
Figure pat00003
인 입자의 수이다.
도 1B는 오브알부민 농도가 50μM 로 일정한 경우 커큐민 농도가 0 내지 100μM일 때 오브알부민 나노 입자의 유체 역학적 크기를 나타낸다. 커큐민의 농도가 0 내지 50μM 의 범위이고, 오브알부민 농도가 50μM일 때 나노 입자의 지름(d 4,3 )은 35.34 ± 2.7 nm, PDI 0.29 ± 0.08로 측정되었다.
그러나 커큐민의 농도가 80μM 이상이 경우 지름 및 DPI는 각각 70 ~ 80mm 및 0.3로 오브알부민 나노 입자의 지름 및 PDI의 극적인 변화가 나타났다.
이러한 결과는 응집으로 인하여 오브알부민 단백질이 보다 크고 균일한 나노 입자를 형성하고, 이에 따라 커큐민의 적하 분자(cargo molecules)를 더 많이 포함할 수 있음을 의미한다.
<실험예> 오브알부민 나노복합입자의 제타 전위 측정
표면전하를 가지는 입자가 이온이 함유되어 있는 물속에 존재하면 입자주변의 이온분포가 변화된다. 이러한 이온분포를 통해 입자의 표면전하와 반대로 하전된 counter ion과 coion에 의해서 전기적인 이중의 층이 생겨난다. 전기 이중층의 분리가 일어난 경계면이 생겨나는데 이면을 전단면이라 하고 이 전단면의 전위를 제타전위(zeta potential)라 한다. 제타전위는 분산액이나 콜로이드의 안정성에서 매우 중요한 역할을 하게 된다
본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자의 제타 전위를 측정하고 그 결과를 도 1C에 나타내었다. 도 1C에서 pH 6.80 ± 0.06에서 50μM 오브알부민의 제타 전위는 -25.75 ± 0.65 mV 로 관찰되었음을 나타낸다. 이는 Niu 등(2014)의 결과와 일치한다.
혼합되는 커큐민 농도의 증가는 나노 입자 용액의 pH를 변경시키지 않고, 오브알부민 나노복합입자의 제타 전위를 약간 감소시켰다. 제타 전위는 100μM 커큐민에서 -33.53 ± 0.81 mV 에 도달하였으며, 이는 오브알부민의 하전된 작용기는 여전히 나노복합입자에서 유지된다는 것을 증명한다.
< 실험예 > 오브알부민 나노복합입자의 TEM 측정
10μM 및 100μM 농도의 커큐민과 50μM 농도의 오브알부민을 사용하여 제조된 오브알부민 나노 복합 입자의 크기 및 형태를 TEM으로 측정한 결과를 도 2에 나타내었다.
오브알부민 나노 복합 입자의 형태를 관찰하기 위하여, 전자 현미경 사진은 200 KeV에서 JEM-2100F Transmission Electron Microscope (Peabody, United States)을 사용하여 측정하였다.
오브알부민 분산액의 TEM 시편은 탄소-코팅 구리 그리드(Electron Microscopy Science, Pennsylvania, United States)위에 시료를 적하함으로써 제작하였다. 여기서 초과량의 샘플은 필터종이를 사용하거나 실온에서 말리면서 제거하였다.
도 2에서 TEM 이미지에 의해 추정된 오브알부민 나노 복합 입자 크기는 30 ~ 40 nm (도 2의 A,B)와 70 ~ 100 nm (도 2의 C,D) 사이에 있으며, 이는 각각 앞선 실시예에서 DLS로 측정한 측정값과 일치하였다.
도 2에서 오브알부민 나노 복합 입자는 구형 형태임을 확인할 수 있다.
< 실험예 > 오브알부민 나노복합입자의 UV/ Vis 스펙트럼 분석
커큐민에서의 오브알부민과 커큐민의 상호 작용을 조사하기 위하여 커큐민, 오브알부민 및 오브알부민 나노복합입자의 UV/Vis 흡수 스펙트럼 변화를 알아보기 위하여 혼합되는 오브알부민(0~100μM)의 농도를 변화시키면서 커큐민의 농도가 10μM 로 일정한 경우 흡수 스펙트럼을 측정하였다.
커큐민의 흡수 스펙트럼은 Thermo Scientific Evolution 600 UV-Vis 분광 광도계(Waltham, United States)를 사용하여 300 내지 600nm의 흡광도를 분석하였다. 방출(emission)형광, 고유(intrinsic)형광 및 동기(synchronous)형광 스펙트럼과 같은 정상 상태 형광(steady-state fluorescence)측정은 2.5nm excitation, emission슬릿으로 SCINCO FluoroMate FS-2 Fluorescence Spectrometer (Seoul, Korea)를 사용하여 실온에서 실시하였다.
측정된 UV/Vis 스펙트럼은 도 3A에 나타내었다. 도 3 에서 자유 커큐민은 355nm에서 작은 숄더(shoulder) 피크 및 425nm에서 최대 피크를 나타내고 300-500nm 파장 범위에서 강한 흡수를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자의 흡수 스펙트럼은 수성 완충액에서 커큐민의 흡수 스펙트럼과 일치하며, feruloyl unit과 공명결합 diferuloyl 구조의 흡수 스펙트럼에 대응한다.
그러나 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서 혼합되는 오브알부민의 농도가 증가할수록 355nm에서의 숄더(shoulder) peak가 사라지는 반면에 최대 발광 피크인 425nm에서는 피크 강도가 급격하게 증가하였다. 이는 커큐민이 오브알부민과 결합하여 수용액상에서 존재함을 나타낸다. 즉, 난용성인 커큐민은 수용액에서 결정화되거나 뭉쳐져서 커큐민 본연의 흡광도(425nm)나 형광이 증가하지 않지만, 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자의 경우 커큐민이 오브알부민에 의해 캡슐화되어(encapsulation)되었으므로 오브알부민의 농도가 증가할수록 오브알부민과 커큐민의 소수성 상호작용을 통하여 커큐민의 수용액에 대한 용해도가 증가하므로 최대 발광 피크인 425nm에서 peak가 증가하는 현상을 나타내게 된다.
커큐민의 feruloyl unit의 흡수에 상응하는 숄더 피크의 손실은 높은 계면 활성제 농도(12-20mM)에서 양이온 계면 활성제인 dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB)와 상호 작용에 의한 것으로 보고된 바 있다. 이것은 DTAB의 응집에 의해 마이셀 구조로 변형되기 때문인 것으로 판단하고 있다. 여기서 커큐민 분자의 아릴기와 DTAB의 알킬 체인 사이에서 소수성 상호 작용을 통하여 공명구조를 유지하면서 용해도를 증가시켰다.
따라서 이러한 결과들은 오브알부민의 응집은 커큐민의 혼입이 가능한 소수성 미세환경(hydrophobic microenvironment)을 제공하는 것을 보여준다.
1/ΔA vs. 1/[OA]의 선형 플롯은 도 3B에 나타나 있고, 결합 상수(K)는 2.4842 × 104 M-1로 결정되었으며, 이는 다른 분광 기술에 의해 측정된 커큐민-단백질 상호 작용과 일치한다.
먼저, 오브알부민과 커큐민의 결합 상수는 Benesi-Hildebrand식에 따르는 1:1 복합체로 가정하고 계산하였다.
<Benesi-Hildebrand식>
Figure pat00004

여기서, ΔA는 425 nm에서의 흡광도의 변화량, K는 오브알부민에 대한 커큐민의 결합 상수, [CU] 및 [OA]는 커큐민 및 오브알부민의 농도,
Figure pat00005
는 425nm에서의 차등 흡광 계수이다.
< 실험예 > 오브알부민 나노복합입자의 Steady-state fluorescence emission 측정
형광 강도 및 최대 발광 파장의 분석은 형광체의 주변 극성 환경에 대한 광 물리학 감도 때문에 단백질-리간드 상호 작용에 대하여 유용한 정보를 제공하는 것으로 알려져 있다. 용매 극성의 감소는 최대 발광 파장의 블루 시프트의 발생과 함께 형광 강도의 증가를 초래한다.
425nm 파장에서 자유 10μM 커큐민 수용액은 550nm에서 약하고 넓은 형광 피크(157.47 AU)를 보여 주었다. 반면 용매로서 95% 에탄올을 사용하는 경우 커큐민의 최대 발광 피크는 강한 형광 강도(10302.07 AU)를 나타내고 480nm까지 시프트 되었다(도 3C).
커큐민을 함유하는 수용액에 오브알부민(10μM)를 첨가하면 커큐민의 최대 형광 발광 피크는 향상된 형광 강도(744.60 AU)와 함께 515nm 주위에 작은 파장으로 시프트 되었다(도 3C). 도 3C 에서 보는 바와 같이 첨가되는 오브알부민 농도가 증가할수록 최대 발광 파장이 점진적으로 블루 시프팅되고, 최대 발광 파장의 형광 강도가 오브알부민 농도에 따라 일정하게 증가하는 것을 알 수 있다.
커큐민을 함유하는 수용액에 오브알부민(10μM)를 첨가하여 나타나는 뚜렷한 블루 시프팅 및 높은 형광 강도는 자유 커큐민 수용액과 비교하여 극성이 높은 수성 환경에서 극성이 낮은 환경으로 커큐민의 이동을 암시하며, 도 3A의 결과와 같이 오브알부민의 농도가 증가할수록 오브알부민과 커큐민의 소수성 상호작용을 통하여 커큐민의 수용액에 대한 용해도가 증가하는 것을 나타낸다.
그러나 최대농도인 100μM 오브알부민을 첨가하여도 형광 강도 및 최대 발광 파장의 시프팅은 95% 에탄올 커큐민으로부터 여전히 떨어져있고, 시프팅은 502nm에서 관찰되었다.
이것은 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서 커큐민 및 오브알부민 사이의 결합이 에탄올과 비교하여 훨씬 소수성이 아님을 나타내고, 이는 커큐민의 결합은 오브알부민 표면의 소수성 부분에서 주로 발생하는 것으로 결론지을 수 있다.
< 실험예 > 오브알부민 나노복합입자의 형광 소광 분석 (Fluorescence quenching assay)
형광 소광 분석(Fluorescence quenching assay)은 다른 작은 분자가 수성 조건에서 단백질과 상호 작용하는 경우 단백질의 결합 및 형태 변화를 관찰하기 위해 사용된다. 형광 세기는 여러 과정에 의해 감소 되기도 한다. 이를 소광이라 한다. 이러한 과정은 분자가 들뜬 상태일 동안 발생하거나 바닥 상태에서 복합체를 형성했을 때 발생한다. 이 두 소광 과정을 보통 동적 소광(dynamic quenching)과 정적 소광(static quenching)이라 부른다.
도 4A 및 도 4B에서 순수한 오브알부민의 형광 방출 강도는 280nm 보다 295nm의 excitation 파장에서 약 2.6 배 이상으로 확인되었고, 양방의 경우에서 약334nm 주위에서 peak가 나타났다.
이에 비하여 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서 오브알부민 농도가 50μM로 일정하게 유지하고 커큐민 농도를 0 ~ 100μM로 변경하면 280, 295nm의 excitation 파장에서 오브알부민 형광의 소광이 발생하게 된다. 이것은 커큐민이 오브알부민에 결합하면서 형광발광을 감소시킨 것으로, 보다 자세하게 커큐민과 오브알부민의 소수성 상호작용이 오브알부민의 트립토판과 티로신 잔기에서 이루어짐을 의미한다. Excitation 파장이 280nm에서 고정되었을 때, 트립토판과 티로신 모두, 295nm에서는 오직 트립토판 잔기만이 형광 발광을 만드는 것으로 알려져 있다. 오브알부민은 여덟 개의 티로신과 세 개의 트립토판 잔기를 가지며, 자세하게는 Trp148 in helix F, Trp267 in helix H, 스트랜드 3A의 카복실 말단 근처의 인접 잔기인 Trp184를 가진다. 이러한 트립토판 잔기는 오브알부민의 형광 스펙트럼을 강하게 지배한다.
또한, 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서 커큐민의 농도가 증가함에 따라, 양방의 excitation 파장에서의 발광 최대 피크의 시프팅은 나타나지 않았고, 가장 높은 커큐민 농도 100μM의 발광 최대 피크인 329nm주변에서 고정되었다. 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서 커큐민의 농도가 증가함에도 거의 동일한 발광 최대 피크가 나타나는 것은 오브알부민과 커큐민의 나노복합입자 형성이 오브알부민 단백질의 삼차 구조를 크게 방해하지 않는 것을 의미한다.
소광 메커니즘(정적 또는 동적 소광)을 분석하기 위하여, 오브알부민 나노복합입자의 형광 소광 데이터는 Stern-Volmer식에 의해 분석하였다.
<Stern-Volmer식>
F0/F = 1 + kQt0[CU] = 1 + KD[CU]
여기서, F0 및 F는 커큐민의 존재 / 부존재 형광 강도, [CU]는 커큐민의 농도, KD는 Stern-Volmer 소광 상수로 KD = kQt0와 같이 표현될 수 있다. 여기서, kQ는 이분자 소광 속도 상수, t0은 소광제의 부재에서의 형광체의 수명이다. [CU]에 대해 F0/F 를 플롯팅하여 두가지 excitation 파장 모두에서 선형 플롯을 관찰하였다(도 5A,B).
또한, t0 = 10- 8s 로 가정하면, 소광 상수(kQ)는 280 및 295 nm의 excitation파장에서 1.05 × 1013 및 7.28 × 1012 M-1/S 로 각각 산출되었다. 이 시스템에서 최대 동적 소광 상수 (2.0 × 1010 M-1/s) 보다 높은 kQ값을 고려할 때, 정적 소광 메커니즘이 오브알부민 나노복합입자 형성에서 우세함을 알 수 있다.
또한, 접근 가능한 형광 분획(f)은 수정된 Stern-Volmer식에 의해 계산되었다. 정적 소광과 동적 소광이 동시에 일어날 경우 기존의 Stern-Volmer equation으로 표현하는 것의 한계가 있기 때문에 Stern-Volmer equation을 다음과 같이 변화하여 사용하였다.
<수정된 Stern-Volmer식>
F0/(F0-F)=1/(fK[CU])+1/f
위 관계식은 정적 소광과 동적 소광이 동시에 일어났을 때, 형광의 세기 대 소광체의 농도 그래프를 직선으로 만들어 준다. 여기서, K는 Stern-Volmer 소광 상수이고 f는 극성 소광에 접근 가능한 형광의 분율이다.
1/[CU] 대 F0/(F0-F)의 플롯은 기울기(fK)-1 및 y축절편 f1을 산출한다. 그러므로 세로축과 기울기의 비는 K값를 나타내고, 이는 결합 상수로 간주할 수 있다. 결합 상수(K)는 280과 295nm의 excitation파장에서 3.0854 및 2.7607 × 104 M- 1으로 얻어졌다. 각각 UV-Vis 흡수 분광 분석 기술로부터 결정된 바와 일치한다 (도 6A,B 및 3B).
일관된 결합 상수는 서로 다른 커큐민, 오브알부민 농도에서 커큐민과 오브알민의 유사 결합 형태에서 기인한 것일 수 있다. 또한, 정적 소광 메커니즘에서, 오브알부민 나노복합입자의 화학양론은 하기 수학식에 따라 추정될 수 있다.
<수학식>
log[(F0-F)/F] = logKA + nlog[CU]
log[(F0-F)/F] 대 log[CU]의 선형 플롯으로부터 오브알부민 당 커큐민 분자 결합수(n)는 280 및 295nm의 excitation파장에서 1.43 및 1.55로 각각 추정 되었다(도 7A,B). 즉 오브알부민 1 분자당 1.43, 1.55개의 커큐민이 결합한다는 것을 의미한다.
이와 유사한 화학 양론은 커큐민과 소 혈청 알부민 (n = 1.38), 인간 혈청 알부민 (n = 1.33), α-카제인 (n = 1.43), β-카제인 (n = 1.27)과 상호작용에서도 관찰되었음이 이미 알려진 바 있다.
< 실험예 > 오브알부민 나노복합입자의 동기 형광 분광법 (Synchronous fluorescence spectroscopy)
동기 형광 분광법(Synchronous fluorescence spectroscopy)은 형광 작용기 근방의 미세 분자에 대한 특정 정보를 나타낸다. 동기 형광 분광법(Synchronous fluorescence spectroscopy)에서 excitation 및 방출 파장 사이의 Δλ 값은 15 및 60 nm로 고정하고, 각각 티로신 및 트립토판 잔기의 변화에 대한 정보를 제공한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서의 동기 형광 분광법을 측정한 결과를 도 8에 나타내었다. 50μM 오브알부민의 동기 형광은 0-100μM 커큐민 농도의 함수로 나타내었다. 커큐민의 농도가 증가함에 따라서 티로신 및 트립토판 강도는 점진적으로 감소하였다(도 8A,B).
그러나 티로신 잔기보다 트립토판의 경우 강도의 감소가 훨씬 높다 (도 8C). 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서 티로신 및 트립토판 잔기 모두의 최대 발광 파장은 거의 변함없이 관찰되었으며, 이는 도 4에서 본 것과 마찬가지로 커큐민과 오브알부민의 소수성 상호작용이 오브알부민의 트립토판과 티로신 잔기에서 이루어짐을 의미한다.
<실험예> 오브알부민 나노 복합 입자와 NaCl와의 반응성 측정
단백질은 양전하 및 음전하를 띠는 작용기를 모두 포함하는 양친매성 분자로, NaCl를 첨가하는 경우 인력과 척력을 유지하게 한다.
본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서 NaCl를 첨가하는 경우 오브알부민(50μM)의 고유 형광을 NaCl의 농도 변화(0-200μM)에 대한 함수로 측정하여 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9A는 NaCl을 첨가하는 경우 형광 강도가 비체계적 증가하는 것을 보여주며, 여기서 발광 최대 피크의 변화도 관찰되지 않았다. 이는 오브알부민의 용해가 소량의 NaCl 존재 하에서 일어났음을 의미한다.
또한, 이와 유사한 형광강도는 커큐민(10μM)의 존재 하에서도 관찰되었다. 이는 NaCl이 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자의 형성에 영향이 없음을 보여준다(도 9B). 더 나아가 이온 또는 수소 결합보다 소수성 상호 작용이 오브알부민 나노 입자의 형성의 주요 원인에 해당함을 알 수 있다.
< 실험예 > 오브알부민 나노 복합 입자와 urea 와의 반응성 측정
요소(Urea)는 일반적으로 표준 단백질 변성제로 사용되어 왔다. 요소와 단백질과의 상호 작용은 "직접적 상호 작용 메커니즘" 및 "간접적 상호 작용 메커니즘" 과 같은 변성 과정에서 두 가지 제안된 메커니즘이 있다. 첫 번째 경우, 요소 분자는 단백질의 골격 원자와 수소 결합을 형성하고 소수성 상호 작용을 분해하며, 이는 단백질의 펼쳐짐(unfolding)과 그 결과 변성을 일으킨다. 단백질 분자의 변성은 페닐알라닌, 티로신 및 트립토판 잔기를 물에 강하게 노출시키며 이는 변경된 형광 특성을 초래한다.
본 실험에서는 요소가 오브알부민용 변성시약으로 사용되었다. 요소(0~6M)의 존재 하에서 오브알부민(50μM)의 고유 형광은 발광 최대 피크에서 점진적으로 적색 시프팅되면서 향상된 강도를 보였으며, 요소의 농도가 6M 일 때 더욱 현저하게 관찰되었다(도 10A). 오브알부민 3차 구조의 불안정으로 인해 트립토판 잔기가 극성 환경에 노출된다는 것을 의미한다.
그러나 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서는 커큐민(10μM)의 존재 하에서 오브알부민의 고유 형광은 오히려 요소 농도의 증가에 따라 비체계적으로 감소하였고, 발광 최대 피크의 적색 편광(red shifting)도 관찰되지 않았다 (도 10B).
이는 urea에 의하여 오브알부민 단백질 분자의 변성이 일어나고, 이로부터 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자의 오브알부민의 소수성 잔기가 강하게 노출되면서 커큐민 분자가 노출된 소수성 잔기와 소수성 상호작용으로 인하여 펼쳐진(unfolded) 오브알부민과 더 유리하게 결합할 수 있음을 의미한다.
< 실험예 > 오브알부민 나노 복합 입자의 안정성 측정
오브알부민의 존재(50μM) 및 부재 하에서 시간의 함수로 커큐민(10μM)의 흡수 스펙트럼을 모니터링 함으로써 300 내지 500 nm의 파장 범위에서 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자의 안정성을 조사하였다(도 11A).
커큐민은 산성 또는 중성 수용액에서 난용성이지만 알칼리성 조건에서 가용성이다. 커큐민의 세가지 수산기(hydroxyl groups)의 탈양성자화는 pH 8.31, 10.0 및 10.2에서 각각 발생한다. 커큐민의 β-디케톤 부분의 불안정성으로 인해 그것은 trans-6-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2,4-dioxo-5-hexanal 로 분해되며 뒤이어 바닐린, 페룰 산(ferulic acid) 및 feruloyl 메탄으로 분해가 이루어지는 것으로 알려져 있다.
분광학적 관찰은 커큐민의 80 %가 수성 중성 완충액 (pH 7.4)에서 분해될 수 있는 것으로 나타났다.
자유 커큐민의 흡수 스펙트럼은 커큐민과 물분자의 상호 작용에 대응하는 355 nm에서의 숄더피크와 425nm에서의 넓은 피크 및 낮은 강도를 나타내었다.
그러나 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자의 경우 오브알부민 존재 하에서 커큐민의 형광 강도가 355 nm에서 숄더피크 없이 현저하게 향상되었다. 이 결과는 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서 오브알부민이 커큐민-물 상호작용을 감소시키는 것을 나타낸다.
도 11B에서 자유 커큐민의 약 70 %가 중도의 진탕 하 실온에서 12 시간 배양 후에 분해되는 것을 알 수 있다. 그러나 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자의 경우 커큐민의 분해는 오브알부민 존재하에서 효과적으로 억제되었다. 본 발명에 의한 오브알부민 나노 복합 입자에서의 커큐민의 향상된 안정성은 물 분자와 상호 작용의 감소의 결과로 오브알부민 소수성 부분과 커큐민의 결합에 의해 야기된 것이다.

Claims (18)

  1. 커큐민; 및
    상기 커큐민의 표면을 캡슐화하는 오브알부민;을 포함하는
    오브알부민 나노복합입자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커큐민과 상기 오브알부민은 수용액 상태에서 소수성 상호작용에 의해 결합하는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소수성 상호작용은 커큐민의 아릴기와 오브알부민의 소수성 아미노산 잔기에서 이루어지는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 오브알부민의 소수성 아미노산 잔기는 트립토판 또는 티로신인 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오브알부민 나노복합입자에서 오브알부민의 단백질 3차 구조가 유지되는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 오브알부민 나노복합입자에서 오브알부민 대 커큐민의 결합비율은 1: 1.4 내지 1.6 인 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  7. 제1항에 있어서
    상기 오브알부민 나노복합입자의 평균 지름이 30 내지 100nm인 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  8. 제1항에 있어서
    상기 오브알부민 나노복합입자의 pH는 6.5 내지 7.0에서 제타 전위는 -35 내지 -30mV인 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 오브알부민 나노복합입자는 오브알부민의 자가-응집(self-aggregation)에 의해서 형성되는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 오브알부인의 자가-응집에 의하여 형성된 소수성 미세환경(hydrophobic microenvironment)에 커큐민이 혼입되는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 오브알부민 나노복합입자 내의 오브알부민의 몰농도가 증가할수록 UV 흡수 스펙트럼시 355nm에서 나타나는 숄더 피크의 강도가 감소하는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 오브알부민 나노복합입자 내의 오브알부민의 몰농도가 증가할수록 steady state 형광 스펙트럼에서의 최대 발광 파장이 500nm 내지 550nm 범위에서 블루시프트 되는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 오브알부민 나노복합입자 내의 오브알부민의 몰농도가 증가할수록 동기형광분석법(Synchronous fluorescence spectroscopy)에서 티로신(Δλ=15nm) 및 타이로신(Δλ=60nm)의 형광강도가 감소하는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 오브알부민 나노복합입자 내의 오브알부민의 몰농도가 증가할수록 동기형광분석법(Synchronous fluorescence spectroscopy)에서 티로신(Δλ=15nm) 및 타이로신(Δλ=60nm)의 최대발광파장은 각각 310nm 내지 320nm 및 350nm 내지 360nm 사이에서 관찰되는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 오브알부민 나노복합입자는 형광소광분석시 280nm, 295nm의 excitation 파장에서 발광 최대 피크는 320nm 내지 340nm사이에 존재하는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 발광 최대 피크는 오브알부민 나노복합입자 내의 커큐민의 농도가 증가할수록 감소하는 것인, 오브알부민 나노복합입자.
  17. 오브알부민 및 커큐민을 각각 증류수 및 에탄올에 용해하여 오브알부민 스톡 용액 및 커큐민 스톡 용액을 제조하는 단계;
    상기 커큐민 스톡 용액과 오브알부민 스톡 용액을 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합액을 10~30분간 15 ~ 30℃의 온도에서 초음파 처리를 하는 단계;를 포함하는 오브알부민 나노복합입자 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 커큐민 에탄올 용액과 오브알부민 수용액은 1:5 내지 2:1 몰농도 비율로 혼합되는 것인, 오브알부민 나노복합입자 제조방법.

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