Study of the complex of curcumin and hydroxylpropyl-β-cyclodextrin with high bioavailability

Luu Thai Danh * , Tran Thi Ngoc Nu , Duong Minh Vien , Bui Thi Cam Huong , Dai Thi Xuan Trang and Nguyen Trong Tuan

* Corresponding author (ltdanh@ctu.edu.vn)

Article Sidebar

Full Text: PDF

Received: 18 Oct 2018
Revised: 29 Dec 2018
Accepted: 28 Jun 2019
Published: 27 Jun 2019
Title: Study of the complex of curcumin and hydroxylpropyl-β-cyclodextrin with high bioavailability
DOI: 10.22144/ctu.jvn.2019.070
Views
447
Downloads
148
Crossref
Scopus
Google Scholar
Europe PMC
How to Cite
Danh, L. T., Nữ, T. T. N., Viễn, D. M., Hường, B. T. C., Trang, Đ. T. X., & Tuân, N. T. (2019). Study of the complex of curcumin and hydroxylpropyl-β-cyclodextrin with high bioavailability. CTU Journal of Science, 55(3), 1-7. https://doi.org/10.22144/ctu.jvn.2019.070
Issue
Vol. 55 No. 3 (2019)
Section
Biotechnology

Abstract

The biological activity of curcumin in turmeric is of great interest because of its usefulness in food, cosmetics as well as in the treatment of human disease. However, the bioavailability of curcumin has not been fully exploited due to low solubility leading to poor absorption, metabolism and rapid clearance from the body. The study was conducted to improve the bioavailability of curcumin by improving solubility by forming a complex of curcumin with hydroxylpropyl-β-cyclodextrin (HP-β-CD), a substance believed to increase the solubility and stability of the drug. The main chemical constituents of turmeric essential oil and curcuminoid extracted from turmeric powder are ar-turmerone (40.8%) and curcumin (76.4%). The results from the analysis of Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) showed that curcumin combined with polymers in the complex of curcumin-HP-β-CD and curcumin - HP-β-CD - essential oil. The water solubility of curcumin in the complex of curcumin - HP-β-CD and curcumin - HP-β-CD – essential oil were 159 and 229 times higher than that in raw curcumin, respectively. Mice given the curcumin-HP-β-CD complex had curucmin concentration in the blood about 5 times higher than those given raw curcumin and curcumin - HP-β-CD – essential oil at 8 h after ingestion.
Keywords: Curcumin, hydroxylproyl-β-cyclodextrin, bioavailability, essential oil

Tóm tắt

Hoạt tính sinh học của curcumin trong nghệ rất được quan tâm bởi giá trị hữu ích của nó trong thực phẩm, mỹ phẩm cũng như trong điều trị bệnh ở người. Tuy nhiên, tiềm năng sinh học của curcumin vẫn chưa được khai thác hết do độ hòa tan thấp, dẫn đến sự hấp thu kém, chuyển hóa và đào thải nhanh khỏi cơ thể. Đề tài được thực hiện nhằm góp phần cải thiện sinh khả dụng của curcuminoid thông qua cải thiện độ hòa tan bằng cách tạo phức hợp curcuminoid với tinh dầu nghệ và hydroxylpropyl-beta-cyclodextrin (HP-β-CD), một chất được cho là làm tăng độ hòa tan và ổn định dược phẩm. Thành phần hóa học chính của tinh dầu nghệ và curcuminoid được ly trích từ bột nghệ tương ứng là ar-turmerone (40,8%) và curcumin (76,4%). Kết quả phân tích bằng quang phổ hồng ngoại chuyển đổi (FTIR) cho thấy curcumin kết hợp với polymer trong phức hợp curcumin - HP-β-CD và curcumin - HP-β-CD - tinh dầu. Độ hòa tan của curcumin trong phức hợp curcumin - HP-β-CD và curcumin - HP-β-CD - tinh dầu trong nước lần lượt cao gấp 159 và 229 so với curcumin thô trong nước. Chuột được cho uống phức hợp curcumin - HP-β-CD có nồng độ curcumin trong máu cao khoảng 5 lần so với chuột được uống curcumin thô và curcumin - HP-β-CD - tinh dầu ở thời điểm 8 h sau khi uống.
Từ khóa: Curcumin, hydroxylproyl-β-cyclodextrin, sinh khả dụng, tinh dầu

Article Details

References

Tinh dầu nghệ ly tríchđược có màu vàng nhạt, mùi thơm đặc trưng của nghệ với hiệu suất ly trích 6,842% trên trọng lượng khô.Thành phần hóa học của tinh dầu nghệ được trình bày ở Bảng 1. Kết quả phân tích GC-MS cho thấy thành phần chính trong tinh dầu nghệ chủ yếu là β-turmerone, ar-turmerone và α-turmerone; với tổng hàm lượng chiếm trên 50%. Ngoài ra, trong tinh dầu nghệ còn chứa một hàm lượng nhỏ các chất như là β-phellandrene, zingiberene, α-zingiberene và γ-curcumene. Phần lớn các hợp chất này thuộc nhóm sesquiterpenevà một số monoterpene. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Phan Tống Sơn và ctv.(1987).

Bảng 1: Thành phần hóa học của tinh dầu nghệ

Khối lượng curcuminoid thuđược khi trích với dung môi acetone là 5,446 g, với hiệu suất 6,06%. Curcumin chiếmtỉ lệ cao nhất (76,4%), kế đến là DMC (13,5%) và BDMC (3,4%). Độ tinh khiết của curcuminoid khá cao đạt 93,3%.

Phức hợp curcumin – HP-β-CD – tinh dầu nghệ có khối lượng là 2,54 g hao hụt 1,19 g. Lượng phức hợp curcumin – HP-β-CD đạt3,75 g hao hụt 0,39 g. Sự hao hụt này là do quá trình sấy và thu mẫu có thất thoát nên lượng phức hợp thu được thấp hơn lượng ban đầu.

Nồng độ curcumin trong phức hợp được xác định bằng phương pháp hấp thu quang phổ đo UV ở bước sóng 425 nm. Kết quả cho thấy nồng độ curcumin có trong phức hợp curcumin - HP-β-CD là 21,3%, trong phức hợp phức hợp curcumin – HP-β-CD – tinh dầu nghệ là 18,9%. Kết quả này tương đương với nồng độ lý thuyết của curcumin trong phức hợp curcumin - HP-β-CD và curcumin - HP-β-CD – tinh dầu lần lượt là 20,1% và 19,7%. Điều này chứng tỏ rằng curcumin không bị mất đi hay phân hủy trong quá trình tạo phức hợp sử dụng phương pháp của Jantarat et al.(2014). Hàm lượng curcumin trong phức hợp curcuminoid không tinh dầu cao hơn hàm lượng curcumin trong phức hợp curcuminoid có chứa tinh dầu.

Kết quả phân tích bằng phổ FTIR cho thấy curcumin kết hợp với polymer trong phức hợp curcumin - HP-β-CD và curcumin - HP-β-CD - tinh dầu (Hình 1và 2). Đỉnh của nhóm –OH ở curcumin (3506 cm-1) bị sáp nhập với đỉnh –OH của HP-β-CD tại 3394 cm-1, việc sáp nhập các đỉnh này có thể do sự tương tác giữa curcumin và polymer xảy ra trong quá trình hình thành phức hợp (Talegaonkar et al.,2010). Ngoài ra, sự hiện diện của đỉnh C=O (1628 cm-1) ở curcumin, tinh dầu và các phức hợp nhưng không có ở HP-β-CD cho thấy curcumin và tinh dầu đã được tích hợp vào trong HP-β-CD. Đỉnh tại 1509 cm-1do C=O, C-C-C và C-C=O của curcumin chuyển sang 1511 cm-1ở các phức hợp (polymer không có đỉnh này) là một bằng chứng về sự kết hợp của curcumin và polymer (Mohan et al.,2012). Ngoài ra, việc hình thành phức hợp còn được chứng minh qua sự xuất hiện của đỉnh 1156 cm-1do C-CH ở mạch khungvà phenolcủa curcumin trong các phức hợp.

Hình 1: Phổ FTIR từ trên xuống: HP--CD, curcumin và phức hợp curcumin - HP--CD

Hình 2: Phổ FTIR từ trên xuống: HP--CD, tinh dầu, curcumin và phức hợp curcumin - HP--CD – tinh dầu

Độ hòa tan của curcumin trong các phức hợp và curcumin thô được xác định bằng phương pháp hấp thu quang phổ. Lượng curcumintương ứng có trong phức hợp curcuminoid – HP-β-CD và phức hợp curcuminoid – HP-β-CD – tinh dầu nghệ lần lượt là 31,7 và 45,74 µg trong 1ml nước cất. Phức hợp chứa tinh dầu có nồng độ curcumin hòa tan trong nước cao so với phức hợp không có tinh dầu (Bảng 2). Cyclodextrins (CDs) là các oligosaccharidesdạng vòng, được hình thành bởi các đơn vị α-D-glucopyranosideliên kết với nhau qua mối nối 1 - 4, tạo nên hình nón cụt mũi. Do vỏ bên ngoài của các CD có tính ưa nướcvà khoang bên trong có tính kỵ nước, nên các CD có thể tạo thành các liên kết phi cộnghóa trị với các hợp chất kỵ nướcnhư curcumin. Các phức hợp này làm tăng độ hòa tan và sinh khả dụng của các hợp chất kỵ nước (Loftsson and Brewster, 1996), cũng như bảo vệ các các hợp chất này không bị phân hủy (Uekama et al., 1998). Tinh dầu nghệ chứacác hợp chất hydrocarbonkỵ nước có thể giúp cho các phân tử curcumin tạocác liên kết phi công hóa trị với khoang bên trong của CD một các dễ dàng. Do đó sẽ có nhiều phân tử curcumin tạo phức hợp với CD, dẫn đến nồng độ curcumnhòa tan trong nước của phức hợp có tinh dầu cao hơn so với không có tinh dầu.

Bảng 2: Nồng độ curcumin trung bình trong nước của các phức hợp curcumin

Nồng độ curcumin trong máu của chuột ở các thời điểm khác nhau sau khi uống được trình bày ở Hình 4. Nồng độ curcumin hấp thu trong máu chuột uốngphức hợp curcumin - HP-β-CD là cao nhất ở thời điểm 8 h sau khi uống. Đồng nghĩa với việc phức hợp curcumin – HP-β-CD có hiệu quả trong việc tăng sinh khả dụng của curcumin thông qua sự gia tăng độ hấp thu curcumin ở chuột. Lượng curcuminđược hấp thu nhanh sau khi uống 2 giờ sau đó có giảm nhưng lại đạt cực đại thời điểm 8 giờ và đến thời điểm 24 giờ vẫn còn phát hiện trong máu với hàm lượng cao. Mặc dù phức hợp curcumin – HP-β-CD – tinh dầu nghệ cho thấy khả năng hòa tan trong nước là cao nhất nhưng lại hấp thu kém trong cơ thể chuột có thể do sự tương tác của tinh dầu, curcumin và polymer. Quá trình hấp thu curcumin từ phức hợp curcumin – HP-β-CD – tinh dầu nghệ xảy ra chậm hơn so với chuột uống phức hợp curcumin – HP-β-CD tuy nhiên khá ổn định và tăng dần theo thời gian, curcumin phát hiện trong máu sau 2 giờ và lượng curcumin cực đại ở thời điểm 8 giờ sau đó tồn tại một lượng nhỏ cho đến thời điểm 24 giờ. Đối với chuột uống curcumin thôthì quá trình hấp thu chậm không tìm thấy vết tích nào của curcumin trong máu chuột sau khi uống 2 giờ, đạt cao nhất ở thời điểm 4 giờ, nhưng sau đó giảm dần tại 8 giờ và đến 24 giờ chỉ còn phát hiện với nồng độ nhỏ. Điều này là do curcumin thô kémhòa tan trong nước nên rất khó hấp thu đồng thời dễ tạo phức hợp với các chất trong gan và do đó bị đào thải nhanh khỏi cơ thể.

Hình 4:Nồng độ curcumin trong máu chuột ở các nghiệm thứctheo thời gian

Nồng độ curcumin trong máu chuột ở 3 nghiệm thức,curcumin – HP-β-CD, curcumin – HP-β-CD – tinh dầu và curcumin thô, biến động rất lớn ở các thời điểm 0, 2, 4,8 và 24 h sau khi uống (Hình 4). Nghiên cứu này được thực hiện dựa trên phương pháp của Zhongfa et al.(2012) sử dụng chuột nhắt (có khối lượng khoảng 20 g/con) để xác định nồng độ của curcumin được hấp thu trong máu chuột ở nhiều thời điểm khác nhau sau khi cho chuột uống phức hợp curcumin. Tuy nhiên, do thể tích máu trong cơ thể của chuột nhắt nhỏ, nên môt thời điểm lấy máu thu được thể tích máu rất nhỏ. Điều đó có thể ảnh hưởng đến quá trình ly trích curcumintừ máu chuộtvà phân tích curcumin bằng máy HPLC, dẫn đến kết quả phân tích curcumin có biến động lớn. Do đó, khi thực hiện các thí nghiệm xác định nồng độ curcumin trong máu của chuột ở nhiều thời điểm khác nhau sau khi cho uống cần sử dụng loại chuộtkhác có khối lượng lớn hơn, như chuột lang (khoảng 200 g/con), nhằm đảm bảo thể tích mẫu máuđược lấy đủ lớncho phân tích.

Kết quả ly trích curcuminđã tạo ra sản phẩm curcuminoid có độ tinh khiết và hiệu suất ly trích cao. Ly trích tinh dầu bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước thu được tinh dầu có chứa hàm lượng turmerone caotrên 50%. Phức hợp curcumin - HP-β-CD và phức hợp curcumin - HP-β-CD - tinh dầu nghệ đã cho thấy hiệu quả hòa tan trong nước, trong đó phức hợp curcumin - HP-β-CD - tinh dầu nghệ có độ hòa tan trong nước cao hơn phức hợp curcumin - HP-β-CD. Bên cạnh đó kết quả phân tích FTIR còn cho thấy sự kết nối của các chất trong phức hợp curcumin - HP-β-CD - tinh dầu nghệ tương đối tốt. Qua kết quả phân tích hàm lượng curcuminoid trong mẫu máu chuộtcho kết quả sự kết hợp curcumin với HP-β-CD và với tinh dầu tạo nên phức hợp đã làm tăng độ hấp thu cũng như sinh khả dụng của curcumin lên nhiều lần, phức hợp curcumin HP-β-CD cũng cho thấy hiệu quả hấp thu trong cơ thể chuột cao hơn curcumin thô nhưng thấp hơn phức hợp curcumin có chứa tinh dầu. Nồng độ hấp thu cao nhất trong khoảng từ 4-8 giờ và thấp dầnsau đó.

LỜI CẢM TẠ

Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn sự hỗtrợ kinh phí của trường Đại Học Cần Thơ cho việcthực hiện nghiên cứu này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Akamine, H., Hossain, M.D.A., Ishimine, Y.et al.2007. Effects of application ofN, P and K alone or in combination on growth, yield and curcumin content of turmeric. Plant Prod. Sci. 10: 151-154.

Antony, B., 2011. U.S. Patent No. 7,883,728. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.

Antony, B., Merina, B., Iyer, V., Judy, N. and Lennertz, K., 2008. A pilot cross-over study to evaluate human oral bioavailability ofBCM-95 ® CG (BiocurcumaxTM), a novel bioenhancedpreparation of curcumin. Indian Journal of Pharmaceutical Sciences, 70: 445-449.

Chempakam, B. and Parthasarathy. V.A., 2008. "6 Turmeric." In Parthasarathy, V.A., Chempakam, B., Zachariah, T.J. (Eds). Chemistry of Spices, CABI, pp.97-123.

Jantarat, C., Sirathanarun, P., Ratanapongsai, S., Watcharakan, P., Sunyapong, S.andWadu, A., 2014. Curcumin-hydroxypropyl-β-cyclodextrin inclusion complex preparation methods: Effect of common solvent evaporation, freeze drying, and pH shift on solubility and stability of curcumin. Tropical Journal of Pharmaceutical Research, 13: 1215-1223.

Loftsson, L., and Brewster, M.E., 1996. Pharmaceutical applications of cyclodextrins. 1. Drug solubilization and stabilization, Journal of Pharmaceutical Sciences, 85, 1017-1025.

Matloob, A.H., Mourtas, S., Klepetsanis, P. and Antimisiaris, S.G., 2014. Increasing the stability of curcumin in serum with liposomes or hybrid drug-in-cyclodextrin-in-liposome systems: a comparative study. International journal of pharmaceutics, 476:.108-115.

Mohan, P.K., Sreelakshmi, G., Muraleedharan, C.V. and Joseph, R., 2012. Water soluble complexes of curcumin with cyclodextrins: Characterization byFT-Raman spectroscopy. Vibrational Spectroscopy, 62: 77-84.

Moorthi, C., Krishnan, K., Manavalan, R. and Kathiresan, K., 2012. Preparation and characterization of curcumin–piperinedual drug loaded nanoparticles. Asian Pacific journal of tropical biomedicine, 2: 841-848.

Phan TốngSơn, Văn NgọcHướng, NguyễnXuân Dũng, Lương Sĩ Bình, 1987. Về thànhphầnhóahọctinh dầunghệ (Curcuma longaLinn) ViệtNam. Tạpchí Hóahọc, 25: 18-21.

Singh, S., Sankar, B., Rajesh, S., Sahoo, K., Subudhi, E. and Nayak, S., 2011. Chemical composition of turmeric oil(Curcuma longaL. cv. Roma) and its antimicrobial activity against eye infecting pathogens. J. Essent. Oil Res, 23: 11-18.

Talegaonkar, S., YakoobKhan, A., KishanKhar, R., Jalees Ahmad, F. and Khan, Z., 2010. Development and Characterization of Paracetamol Complexes withHydroxypropyl-?-Cyclodextrin. Iranian Journal of Pharmaceutical Research, pp.95-99.

Uekama, K., Hirayama, F. and Irie, T., 1998. Cyclodextrin drug carrier systems. Chemical reviews, 98, 2045-2076.

Zhongfa, L., Chiu, M., Wang, J., et al., 2012. Enhancement of curcumin oral absorption and pharmacokinetics of curcuminoids and curcumin metabolites in mice. Cancer chemotherapy and pharmacology, 69:679-689.