CC BY
36НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2016, №1
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
Физико-химическая биология
УДК 615.322:615.326
Модификация твердой формы биопрепарата антибактериального действия, полученного из лишайника рода Cladonia путем механохимической активации
Д.М. Уваров*, П.П. Васильев*, А.В. Степанова*, В.В. Аньшакова , Б.М. Кершенгольц '
Северо-Восточный федеральный университет, г. Якутск Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН, г. Якутск
Представлены результаты по усовершенствованию биотехнологии получения двухкомпонентного композита путем совместной механоактивации талломов лишайника рода Cladonia и вспомогательной добавки диоксида кремния (SiO2) с целью модификации технологических свойств для повышения качества продукта при хранении, возможности дальнейшего капсулирования или таблетирования. Применение вспомогательных веществ, на примере SiO2, улучшает характеристики протекания ряда биотехнологических стадий и обосновано в случаях с мелкодисперсными (особенно ультрадисперсными) порошками из растительного сырья.
Ключевые слова: лишайник, механоактивация, олигосахариды, порошок, сыпучесть, капсулирова-ние.
Modification of Solid Form of a Biological Product of Antibacterial Action Derived from the Lichen Genus Cladonia by Mechanochemical
D.M. Uvarov*, P.P. Vasilyev*, A.V. Stepanova*, V.V. Anshakova*, B.M. Kershengolts*'**
North-Eastern Federal University, Yakutsk Institute for Biological Problems of Cryolithozone SB RAS, Yakutsk
The article presents the results on the improvement of biotechnology of obtaining of a two-component composite by co-mechanoactivation of thalli of lichen genus Cladonia and auxiliary silica additives (SiO2) in order to modify technological properties, for improvement the quality of the product during storage, the possibility offurther encapsulation or tableting. Application of auxiliary substances for example SiO2 improves the characteristics of the course of number of biotechnological stages and is justified in cases of finely dispersed (especially ultrafine) powders from vegetable raw materials.
Key words: lichen, mechanoactivation, olygosaccharides, powder, flowabiity, incapsulation.
УВАРОВ Дмитрий Михайлович - инженер, [email protected]; ВАСИЛЬЕВ Петр Петрович - инженер, [email protected]; СТЕПАНОВА Альбина Васильевна - инженер-исследователь, [email protected]; АНЬШАКОВА Вера Владимировна - д.б.н., доцент, г.н.с., [email protected]; ' КЕРШЕНГОЛЬЦ Борис Моисеевич - д.б.н., проф., зав. УНТ лаб. ИЕН, зам. директора по научной работе, [email protected].
Введение
Порошки являются твердой лекарственной формой, веками применяемой человеком. Механическому измельчению подвергались высушенные плоды, листья, стебли, коренья. В дальнейшем полученные порошки использовались в виде отваров, припарок, супов и др. Однако совершенствование технологий переработки привело к резкому повышению дисперсности, придавая порошкам, особенно ультрадисперсным, принципиально новые качества: способность к агломерации мелкодисперсных частиц, обусловленной избыточной поверхностной энергией, большой величиной внутреннего трения; многократным увеличением растворимости; гигроскопичностью порошков и др. [1, 2].
Актуальность работы обоснована появлением новых порошкообразных действующих веществ с повышенной активностью, что обусловлено развитием химической и фармацевтической промышленности, а также созданием дозированных форм, таких как таблетки и капсулы (совокупно занимающих более 50% рынка) [3].
Цель исследования заключается в разработке технологий дозирования порошковых форм, достигаемой путем обогащения исходного состава порошка вспомогательными агентами.
На данный момент существует более 15 добавок - антислёживателей, имеющих различный химический состав (таблица) [4]. Помимо основной задачи введение в порошки добавок может способствовать решению ряда задач по сохранению товарного вида и свойств конечных лекарственных форм при хранении товара (предупреждение слеживания, увеличение длительности хранения). Одной из наиболее широко распространенных и безопасных добавок в пищу является диоксид кремния - 8Ю2.
Измельчение твердых лекарственных форм в виде ультрадисперсных порошков стало возможным благодаря механоактивационным технологиям, суть которых заключается в проведении твердофазных химических реакций между двумя и более реагентами в воздушной среде (без участия растворителей). В результате точечно-импульсных высокоэнергетических ударно-сдвиговых соударений происходит возникновение поверхностных дефектов, что вызывает протекание химических реакций и позволяет получать конечный твердофазный продукт быстрее, экономически выгоднее, эффективнее, экологичнее по сравнению с традиционной «мокрой» технологией [5].
Механохимическая переработка широко используется для активации неорганического сырья, но также применима и для природного биосырья. При этом протекает ряд физико-
химических процессов: 1) механоактивация твердых веществ; 2) механохимические реакции в твердой фазе; 3) деиммобилизация действующих веществ при переработке сырья; 4) образование механокомпозитов с повышенной реакци-онноспособностью; 5) изменения биологической активности [6].
Ранее было показано, что полученные таким способом ультрадисперсные порошки путем механоактивации талломов лишайников рода С1аёота отличаются высокой растворимостью (в 8-10 раз) по сравнению с исходным образцом, повышенной сорбционной емкостью, высоким антибактериальным потенциалом [7].
В химическом плане в составе лишайников доминируют полимер-гомологи - лихенин и изолихенин, структурно состоящие из углеводных остатков ковалентно соединенных аксиальными Р-1,4-гликозидными связями, для разрыва которых требуется значительное количество энергии, по сравнению с стереохимически несимметричными а-1,2- и а-1,6- гликозидными связями. Одними из минорных составляющих являются лишайниковые кислоты (2-3%), из которых в середине прошлого века были получены первые антибиотики из лишайника - препараты «Эвозин» и «Бинан» [8].
Учитывая то, что в исходном состоянии низкомолекулярные действующие вещества иммобилизованы в трехмерной матрице Р-поли-гликозида и поэтому обладают низкой биологической доступностью, проводить порошкование предлагается путём совместной механоактива-ции талломов лишайников, вспомогательной добавки и при необходимости действующего вещества (ДВ) дополнительно вводимого лекарственного средства [8].
Результатом применения механохимического подхода являются 1) разрыв части р-гликозидных связей с образованием лишайниковых р-олигосахаридов; 2) образование межмолекулярных комплексов лишайниковых Р-олигосахаридов «активного наполнителя» с ДВ лекарственных средств или биологически активных веществ (БАВ) лекарственных растений; 3) «транспорт» образующихся комплексов через стенку кишечника и клеточные мембраны. За счет этого достигается повышенная в 2-3 раза эффективность ДВ. Повышение эффективности ДВ в свою очередь позволяет снизить эффективную дозу, при которой достигается терапевтический эффект, сравнимый с традиционными лекарственными формами, что приводит к снижению вероятности формирования устойчивости бактериальных клеток к данному антибиотику и себестоимости единицы продукции. Снижение эффективной дозировки при сохра-
МОДИФИКАЦИЯ ТВЕРДОЙ ФОРМЫ БИОПРЕПАРАТА АНТИБАКТЕРИАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
Добавки, препятствующие слеживанию и комкованию, разрешенные к применению в Российской Федерации
Е-номер Пищевая добавка Пищевой продукт Максимальный уровень, г/кг
Е551 Диоксид кремния аморфный и соли кремниевой кислоты Пряности Продукты, плотно обернутые фольгой 30 30
Е552 Е553 Е553 Е553 Силикат кальция Силикат магния Трисиликат магния Тальк Продукты сухие порошкообразные, включая сахар Продукты в форме таблеток БАД к пище 10 Согласно ТИ То же
Е559 Алюмосиликат каолина Продукты для прикорма сухие на зерновой основе 2,0
Е555 Алюмосиликат калия Сыры, нарезанные ломтиками или тертые, и аналоги сыров 10
Е556 Алюмосиликат кальция Сахаристые кондитерские изделия, кроме шоколадных (обработка поверхности) Согласно ТИ
Е554 Алюмосиликат натрия (отдельно или в комбинации) Мармелад желейный формовой (обработка поверхности) Колбасы (обработка поверхности) Соль и заменители соли Согласно ТИ (только Е554) Согласно ТИ (только Е554) Согласно ТИ (только Е554)
Е470 Жирные кислоты (миристино-вая, олеиновая, пальмитиновая, стеариновая и их смеси), соли алюминия, аммония, калия, кальция, магния, натрия Согласно ТИ Согласно ТИ
Е953 Изомальтит То же То же
Е170 Карбонат кальция » »
Е504 Карбонат магния
Е530 Оксид магния » »
Е900 Полидиметилсилоксан Жиры и масла фритюрные Сок ананасный Фрукты и овощи консервированные в металлических и стеклянных банках Джемы, повидло, желе, мармелад и подобные продукты на фруктовой основе для намазывания, включая низкокалорийные Сахаристые кондитерские изделия, кроме шоколада Жевательная резинка Зерновые продукты, вырабатываемые по экструзионной технологии Супы и бульоны консервированные, концентрированные Напитки безалкогольные на ароматизаторах Вина, сидр 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Е535 Е536 Е538 Ферроцианид натрия Ферроцианид калия Ферроцианид кальция (отдельно или в комбинации) Соль поваренная, ее заменители (см также соли) 0,02 в пересчете на ферроцианид калия безводный
Е341 Фосфат кальция трехзамещенный Согласно ТИ Согласно ТИ
Е343 Фосфат магния трехзамещенный
нении эффекта также сокращает сроки лечения, токсичность (в 3-5 раз) ДВ по сравнению с существующими лекарственными формами, уменьшает затраты здравоохранения на лечение побочных эффектов.
Вышесказанное выгодно отличает технологичность предлагаемого подхода и свойства производимых биокомплексов от аналогов, по-
лученных с использованием классических биотехнологий.
Для оценки технологичности порошкообразных веществ, а также для прогнозирования поведения сыпучих масс в условиях технологического процесса, направленного на получение готовых твердых форм, определяют их технологические характеристики. К технологическим
свойствам сыпучих материалов относят угол естественного откоса, насыпную плотность и сыпучесть. Все эти параметры описываются термином «степень сыпучести». Нарушение степени сыпучести продуктов чаще всего приводит к неточной дозировке продукции, засорению оборудования. Это отрицательно сказывается на производительности труда и на качестве конечного продукта.
Ранее нами была проведена оценка эффективности применения дополнительного компонента (ДК) при получении порошкообразной твердой лекарственной формы при помощи добавления вспомогательного агента в уже готовый механоактивированный биопрепарат из талломов лишайника путем измерения его технологических свойств [9].
Материалы и методы исследований Эксперимент заключается в совместной ме-ханоактивации талломов лишайника рода Cladoniас частицами ДК в целях улучшения технологических свойств: угол естественного откоса, время истечения и насыпная плотность.
Сырье вначале подвергается грубому измельчению в течение 2-3 мин на высокоскоростном грануляторе-миксере KSM-50 (Южная Корея) при 600 об./мин. Полученный порошок и вспомогательный агент (SiO2) в порошковой форме смешивались на лабораторной мешалке Junior (Италия) в течение 5 ч.
Предварительно высушенные и измельченные слоевища лишайников механоактивировали совместно с SiO2 без участия растворителей в одну технологическую стадию при скорости 1200-1500 об./мин в течение 1-3 мин в воздушной среде в механохимической установке ЦЭМ 7-80 (Россия).
Для определения технологических свойств порошков (времени истечения, естественного угла откоса, насыпного объема и текучести в автоматическом режиме) был использован тестер PTG-S4 фирмы «Pharma Test Apparatebau AG» (Германия) с диаметром сопла-насадки 25 мм и основанием базы в 100 мм. В бункер аппарата помещалось 100 г порошка. Все измерения проводились в пяти повторностях. В качестве контроля был использован грубоизмельченный ягель без добавления SiO2.
Испытания проводились по фармакопейной статье ОФС 42-0137-09 «Определение степени сыпучести порошков и гранул» в соответствии с ГФ XII (ч. 2, с.431-437).
Результаты и обсуждение Под влиянием добавки агента-антислежи-вателя - SiO2 наблюдается увеличение степени
сыпучести за счет уменьшения угла откоса более чем в 2,3 раза (рис. 1).
50,3 1
39,2
33,9 1
23,9 ■ 21,0
Контрольный Смесь ягель+0,1% Смесь ягель+0,5% Смесь ягель+1,0% Смесь Ягель+1,! порошок ДК ДК ДК ДК
Рис. 1. Углы естественного откоса активированной смеси ягель + вспомогательный агент 8Ю2 (ДК), град
Значительно сокращается время истечения (примерно в 14 раз) по сравнению с контрольной группой, прежде обладавшей неудовлетворительными характеристиками (рис. 2).
Рис. 2. Время истечения групп активированной смеси ягель + вспомогательный агент 8Ю2 (ДК), с
Эксперимент также показал, что добавление 0,1% вспомогательного агента практически не влияет на насыпную плотность (рис. 3).
Рис. 3. Насыпная плотность групп активированной смеси ягель + вспомогательный агент 8Ю2 (ДК), г/см3
При введении в механоактивируемую смесь SiO2 в концентрации более 1% время истечения практически не меняется. Поэтому введение более высоких концентраций добавки агента-антислеживателя не целесообразно (рис. 2). Дальнейшее увеличение доли вспомогательного агента (до 2-3%) привело к неизмеримости результатов эксперимента по определению технологических параметров, по-видимому, за счет загрязнения датчика устройства по причине пы-леобразования при открытии заслонки.
ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ БИОМАССЫ AMARANTHUS RETROFLEXSUS L.
Выводы
Разработан состав совместно активированной смеси талломов лишайника рода Cladonia и диоксида кремния с улучшенными технологическими свойствами, а именно с повышенной сыпучестью.
Полученные в ходе эксперимента результаты имеют практическую значимость, так как позволяют повысить степень технологичности производства твердых форм препаратов: желатиновых капсул и таблеток.
Литература
1. Росляк А.Т., Брендаков В.Н., Романдин В.И. и др. Способ газовой центробежной классификации и измельчения порошков // Патент России № 2522674 от 20.07.2014.
2. Траутваин А.И., Ядыкина В.В. Исследование влияния режимов измельчения на реакционную способность минеральных порошков // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. - 2013. № 6162. С. 248-254.
3. Андреева Н.А., Ивченко О.Г., Кабакова Т.И. Маркетинговый анализ рынка лекарственных
препаратов седативного действия // Фундаментальные исследования. 2011. № 10 (часть 3). С. 604-607.
4. Демина Н.Б., Анурова М.Н., Асфура Т. Разработка рецептуры и технологии таблеток с экстрактом босвеллии // Разработка и регистрация лекарственных средств. 2013. №4.
5. Гигиенические требования по применению пищевых добавок // СанПиН 2.3.2.1293-03.
6. Болдырев В.В. Механохимия и механохи-мическая активация твердых веществ // Успехи химии. 2006. Т. 75 (3). С. 203-216.
7. Аньшакова В.В. Биотехнологическая ме-ханохимическая переработка лишайников рода Cladonia. М.: Изд. дом Академии естествознания, 2013.С. 31.
8. Аньшакова В.В., Шарина А.С., Каратаева Е.В., Кершенгольц Б.М. Способ получения сорб-ционного материала из слоевищ лишайников // Патент России №2464997 от 27.10.2012.
9. Аньшакова В.В., Кершенгольц Б.М. Способ получения высокоактивного твердофазного биопрепарата антибиотического действия «Ягель» из слоевищ лишайников // Патент России № 2467063 от 20.11.2012.
Поступила в редакцию 28.01.2016
УДК (582.663:577.19):577.121.7
Влияние механоактивационной обработки биомассы АтагаМНш ге1го/1вХ8Ы8 Ь. на выход лиофилизированных экстрактов растительных тканей и содержание биологически активных веществ в них
И.В. Воронов, Е.Р. Поскачина
Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН, г. Якутск
Выявлено увеличение выхода лиофилизата при предэкстракционной механоактивации надземной фитомассы Amaranthus retroflexsus Ь. на 12-41% от массы исходной ткани в зависимости от условий механохимического воздействия. Максимальный выход лиофилизата наблюдался при обработке со скоростью вращения ротора 20 об./с в течение 3 мин. Установлено, что применение механоактивации не оказывает влияния на содержание суммы низкомолекулярных антиоксидантов в полученной растительной муке, кроме механоактивации при вариантах 20 и 30 об./с в течение 1 мин, при этих условиях наблюдалось снижение на 16% суммарного содержания низкомолекулярных антиоксидан-тов. Показано, что предэкстракционная механоактивация исходного биосырья не оказывает влияния на содержания рутина в лиофилизатах экстрактов при обработке со скоростью вращения ротора 15 и 20 об./с. Обработка биоматериала при 30 об./с в течение 1 мин приводит к уменьшению выхода рутина на 13%, а увеличение времени механоактивации биосырья до 2-3 мин вызывает повышение его выхода на 23-27% по сравнению с контролем. Вместе с тем содержание кверцетина снижается в 5-15раз, а содержание низкомолекулярных антиоксидантов достоверно не изменяется.
ВОРОНОВ Иван Васильевич - к.б.н., с.н.с., e-mail: [email protected]; ПОСКАЧИНА Елена Рудольфовна -к.б.н., н.с., e-mail: [email protected].
