Affinity based magnetic separation of calcium-based food additive nanoparticles from processed food|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The calcium carbonate (CaCO3) and calcium phosphate [Ca3(PO4)2] have been widely used as a calcium supplement in a range of processed food. Due to extremely low oral absorption of calcium-based food additives, they are typically modified into nano-sized particle to increase its oral bioavailability. However, nano-sized particles have been under scrutiny, since its chemical and physical properties associated with toxicity are significantly different as compared to those of its bulk counterpart. Thus, it is important to monitor the size and physicochemical property of nano-sized calcium-based food additive to obtain critical information about the safety of these materials. However, the extraction of target materials from processed food is highly challenging due to the presence of complex food matrices, such as fats, proteins, and carbohydrates. Acid digestion is often employed to remove organic food matrices, but the harsh acid treatment in combination with heating at high temperature could alter the size and physicochemical characteristics of particles. In this study, we report a fast and highly selective separation method for the extraction of CaCO3 and Ca3(PO4)2 through starch magnetic beads (SMBs) functionalized with polystyrene sulfonate (PSS). The PSS@SMBs were shown to effectively bind to the calciumbased food additive, based on its specific affinity to calcium ion, in comparison with other type of inorganic ingredients, such as titanium dioxide (TiO2) and silicon
dioxide (SiO2). The bound particles were readily eluted from PSS@SMBs by addition of 0.1% polyethylenimine (PEI) that outcompetes calcium-based food additive for binding to the surface of PSS@SMBs. We demonstrated method affected neither the size nor crystallinity of the recovered calcium-based food additives as observed by SEM and XRD analysis, respectively. Moreover, we illustrated the feasibility of applying PSS@SMBs in specifically extracting CaCO3 and Ca3(PO4)2 from six commercial foods. The results suggest that the method developed in this study would provide an effective means of extracting calciumbased food additive from processed food to monitor and understand its physicochemical properties and safety.

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국문 초록 (Abstract)

탄산칼슘과 제삼인산칼슘은 식품 속에서 결정형 형태로 존재해 경구 섭취하면 약 4%의 낮은 흡수율을 가진다는 특징이 있다. 최근 식품 산업에서는 탄산칼슘과 제삼인산칼슘의 낮은 흡수율을 높이기 위해서 벌크 사이즈의 입자보다는 나노 사이즈의 입자로 식품에 첨가가 하는 경우가 많다. 벌크 사이즈의 입자와 비교했을 때 나노 사이즈의 입자는 다른 물리화학적 특성을 가지게 되고, 세포 내 활성산소를 증가시켜 손상을 유발시킬 수 있다는 연구가 보고되고 있다. 식품 속 칼슘 식품 첨가물 나노 입자가 세포에 미치는 독성 영향을 알기위해서는 식품 속 탄산칼슘과 제삼인산칼슘의 크기 및형태에 영향을 미치지 않으면서 유기물을 제거할 수 있는 정확한 검출 및 모니터링법이 구축 되어야한다. 현재 식품의 유기물을 제거하기 위한 대표적인 방법으로는 산처리 방식과 원심분리법이 이용되고 있다. 하지만, 강산을 이용하거나 물질의 밀도 및 사이즈 크기에 의해 분리하는 방법은 탄산칼슘 및 제삼인산칼슘의 크기 및 형태에 영향을 미치거나 유기물을 제거하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 본 연구는 칼슘과 친화력을 가지고 있는 폴리머 polystyrene sulfonate (PSS)를 수식한 전분자성입자를 개발하여 식품 속 존재하는 칼슘 식품 첨가물을 모니터링 하고자 했다. PSS을 이용해 표면을 기능화 한 전분 자성 입자는 다른 식품 첨가물인 이산화티타늄과 이산화규소와 비교하였을 때 칼슘 식품 첨가물과 높은 특이성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 구축된 친화력 기반의 자성 분리 방법을 당, 전분,단백질의 모사 조건을 적용하여 칼슘 식품 첨가물을 분리해보았고, 그 결과 80% 이상의 높은 분리 및 회수율을 얻었다. 또한, 실제 식품에서의 자성분리법의 적용성 확인을 위해 여섯 가지의 가공 식품을 선정하고 식품 속 존재하는 탄산칼슘과 제삼인산칼슘을 분리하여 물리화학적 특성을 분석해 보았다. 주사전자현미경의 결과 식품 속 유기물이 모두 제거되고 특이적으로 칼슘 식품 첨가물만이 분리되어 크기 및 결정형에 대한 정확한 모니터링이 이뤄질 수 있었다. 따라서 친화력 기반의 자성 분리 방법을 이용해 간단하고 효과적으로 실제 식품 속 칼슘 기반 식품 첨가물을 분리할 수 있으며, 앞으로도 이 방법이 식품 속 존재하는 칼슘 기반 식품 첨가물의 나노 입자 모니터링 및 연구에 이용될 것이라고 생각한다.

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탄산칼슘과 제삼인산칼슘은 식품 속에서 결정형 형태로 존재해 경구 섭취하면 약 4%의 낮은 흡수율을 가진다는 특징이 있다. 최근 식품 산업에서는 탄산칼슘과 제삼인산칼슘의 낮은 흡수율...

목차 (Table of Contents)

I. INTRODUCTION 1
1.Food additives calcium carbonate and tricalcium phosphate 1
2. Concerning of nanoparticles in commercial food and conventional monitoring methods 4
3.Magnetic separation for calcium-based food additives 6
II. MATERIALS AND METHODS 9

I. INTRODUCTION 1
1.Food additives calcium carbonate and tricalcium phosphate 1
2. Concerning of nanoparticles in commercial food and conventional monitoring methods 4
3.Magnetic separation for calcium-based food additives 6
II. MATERIALS AND METHODS 9
1.Materials 9
2. Synthesis and characterization of starch magnetic beads (SMBs) 10
3. Calcium affinity functionalization of SMBs (PSS@SMBs) and characterization 12
4. Magnetic extraction of calcium-based food additives in simulated- and commercial-food samples 13
5. Characterization of isolated calcium-based food additives 15
III. RESULTS AND DISCUSSION 17
1. Synthesis and specific binding of PSS@SMBs for affinity based magnetic separation of calcium-based food additives 17
2.Magnetic separation of pristine calcium-based food additives using PSS@SMBs 22
3.Magnetic separation of CaCO3 and Ca3(PO4)2 using PSS@SMBs in simulated food 27
4. Magnetic separation of calcium-based food additive from commercial food 31
IV. Conclusions 37
V. REFERENCES 38
국문초록 41

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