Characterization and Release of Curcumin from Fast Dissolving Food Fiber Prepared by Repetitive Contact Spinning

Abstract

The aim of this study was to manufacture fast-dissolving food mats (FDFMs) composed of pullulan (PUL), polyvinylpyrrolidone (PVP) loaded with curcumin using repetitive contact spinning (RCS) and casting method. The rheological property confirmed that the ratio of pullulan, PVP, and curcumin (P/V/C) affected the FDFM solution property and FDFM morphology, with the addition of PVP, the viscosity of solution increased. The morphology analyzed by scanning electron microscopy (SEM) showed that the presence or absence of PVP and the amount of loaded curcumin affect the mean diameter of FDFM fibers and morphology of the FDFMs.The mean diameter of the FDFM fiber increased with a higher curcumin loading, also the mean diameter slightly increased with the presence of PVP. The Fourier transform infrared spectra (FTIR) seemed that the evidence of moisture absorption by C=O groups in FDFM containing PVP. The dynamic light scattering (DLS) result indicated that the incorporation of curcumin and PVP into FDFM structure has been shown to reduce their dispersed particle size, and this tendency confirmed that the fibers showed better results than films. The addition of PVP confirmed through solubility tests and DPPH antioxidant activity test that it can play a role in improving the solubility of curcumin in an aqueous solution and protecting its antioxidative activity, and it is confirmed that the fibers showed better results than films. The in vitro curcumin release showed that the loaded curcumin into FDFMs was rapidly released within tens of seconds and showed better release results in the fiber than in the film. The release profile of the loaded curcumin from FDFMs was performed in simulated artificial saliva and PBS condition. It was indicated that the Fickian diffusion phenomenon was the dominant mechanism involved in the curcumin release process. As a result, FDFM fiber was indicated a very promising approach to the structure of poorly water-soluble functional material such as curcumin to improve their dissolution. And the great potential of weaved curcumin-loaded FDFM fiber for subsequent formulation as effective oral mucosa functional compound delivery systems could be considered as a promising next step in the food industry. It is expected that it will be possible to control the release of materials and properties of the formulations according to the use by selecting a variety of materials that are appropriate for the use, and it will be used in various fields.;이 연구의 목적은 repetitive contact spinning(RCS) 및 solution casting 방법을 사용하여 풀루란, 폴리비닐피롤리돈(PVP) 그리고 대표적인 소수성 물질인 커큐민이 함유되어 구강환경에서 빠르게 용해되는 식품매트(Fast dissolving food mat; FDFM)를 제조하여 그 특성과 함유된 커큐민의 방출 특성을 분석하는 것이다. 또한 식품매트의 형태로 섬유와 필름을 선택하여, 두 가지의 형태의 차이로 인한 특성, 생리활성성분 및 성분에 대한 영향을 확인함으로써 최적의 형태를 알아보고자 하였다. 유변학적특성을 통해 풀루란, 폴리비닐피롤리돈 그리고 커큐민의 비율이 FDFM 용액 특성 및 RCS와 solution casting 방법으로 제조되는 식품매트 형태에 미치는 영향을 확인했으며, 폴리비닐피롤리돈이 추가됨으로써 용액의 점도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 주사 전자 현미경 (SEM)에 의한 형태학적 분석에 결과에 의하면 폴리비닐피롤리돈 존재의 유무와, 함유된 커큐민의 양이 FDFM 섬유의 평균 직경과 형태에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한, FDFM 섬유의 평균 직경이 함유된 커큐민의 양의 증가와 폴리비닐피롤리돈이 첨가됨에 따라 약간 증가하는 결과를 얻었다. 동적광산란법(dynamic light scattering; DLS)을 통해 확인한 결과로 FDFM 구조에 커큐민과 폴리비닐피롤리돈이 복합체의 형태로 첨가되는 것이 수용액에서 분산된 입자 크기를 감소시키고, 이러한 경향은 필름보다 섬유형태에서 더 우수한 결과를 나타냈다. 수용액상에서 폴리비닐피롤리돈의 첨가로 인해서 커큐민의 용해도가 개선될 수 있다는 결과와 항산화활성을 보호하는 역할도 할 수 있다는 결과를 용해도 평가와 DPPH 항산화 활성 평가를 통해서 관찰하였고, 이 역시 필름보다 섬유에서 더 우수한 효과를 보인다는 결과를 얻을 수 있었다. 생체외환경(in vitro)에서 진행된 커큐민 방출은 FDFM에 함유된 커큐민이 수십 초 내에 방출 매체로 빠르게 방출되고, 필름보다 섬유구조에서 더 우수한 방출 결과를 보였다. 그리고, FDFM에 함유된 커큐민의 방출 프로파일을 모의 인공 타액 및 PBS 조건에서 확인하였고, 그 결과를 몇 가지의 방출 모델 피팅을 통해 FDFM으로부터 Fickian 확산 현상이 커큐민 방출 과정에 관여하는 우세한 메커니즘임을 알 수 있었다. 본 연구를 통해서, FDFM 섬유 구조는 커큐민과 같은 소수성성질을 가진 기능성 물질의 용해 특성을 개선하기 위한 매우 효율적인 시스템임을 확인할 수 있었다. 그리고 기능성 물질의 구강을 통한 효과적인 전달 시스템으로서 본 연구에서 제조된 커큐민을 함유한 FDFM 섬유형태가 가진 큰 잠재력은 용도에 맞는 다양한 소재를 제조 과정에 사용함으로써 기능성 물질의 방출과 섬유 제형의 물성을 조절할 수 있을 것이며, 식품 산업에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.