СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОЭМУЛЬСИИ БЕТА-КАРОТИНА Российский патент 1997 года по МПК C07C403/00 B01F17/00 C12P23/00 A61K9/00 

Изобретение относится к способам получения стабильной водной микроэмульсии каротиноидов для использования в пищевой промышленности, фармацевтике, медицине и ветеринарии.

Биологическая активность бета-каротина и других каротиноидов существенно зависит от степени их дисперсности. Для соединений этого класса, молекулы которых содержат длинную полиеновую цепь, характерная способность к образованию прочных малорастворимых кристаллитов с относительно высокой температурой плавления (около 180 С).

Истинные растворы бета-каротина высокой концентрации обычно стабильны только в горячих растворах при температурах, приближающихся к температуре плавления. Создание биологически хорошо усвояемых форм препаратов на основе каротиноидов основывается на применении методов "сухого" или "горячего" эмульгирования.

Предлагаемое изобретение относится к развитию метода "горячего" эмульгирования, позволяющему получить мелкодисперсные препараты каротиноидов с высокой биоэффективностью.

Получение коллоидно-дисперсной водорастворимой сухой формы препаратов бета-каротина с использованием "горячей" технологии описано в нескольких патентах. Так в заявке на патент ФРГ 3610191 нагревают насыщенный по бета-каротину раствор в масле с последующим эмульгированием в воде, содержащей защитный коллоид, и удалением воды до образования сухого тонко-дисперсного порошка.

В заявке на патент ФРГ 3611229 описан способ с использованием летучих органических растворителей, смешивающихся с водой, и с использованием в качестве защитного коллоида молочных продуктов.

В этих заявках водная среда использована как технологический этап, а стабильная высоко концентрированная водная эмульсия, не содержащая защитного коллоида не используется.

Способ по европейскому патенту 0055817 включает следующие технологические стадии: получение раствора бета-каротина в неионогенном ПАВ при нагревании и получение водной эмульсии путем перевода такого раствора в водную фазу. Однако способ перевода такого раствора в водную фазу состоит в том, что вначале воду приливают в горячий раствор бета-каротина при начальной температуре 160 180 С до его быстрого охлаждения ниже 100 С, а затем полученный продукт выливают с разбавлением до требуемой концентрации. Предлагаемый этими авторами способ безусловно может быть реализован в лабораторном масштабе, однако он имеет недостаток приливание ведут в нагретую существенно выше 100 С среду неионогенного ПАВ. Это подобно нарушению классического правила препаративной химии: "Не лей воду в концентрированную серную кислоту". Стремясь избежать бурного вскипания авторы предлагают добавлять воду по каплям из бюретки в количестве до одной трети от объема расплава бета-каротина в неионогенном ПАВ. В производственном масштабе технологически этот способ трудно реализуем.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, описанный в заявке на патент ФРГ 4031094, где предыдущий вариант существенно модифицирован. На стадии получения "горячего" раствора бета-каротин в виде суспензии в неионогенном ПАВ, прогретой до температуры,близкой к 80^oC, прокачивают насосом через тонкую трубку, длиной 3,6 12 м, погруженную в масло, при 160^oC. Процесс смещения лимитируется скоростью прокачки исходной суспензии.

Раствор бета-каротина в твине и вода подаются в смеситель, имеющий температуру около 180^oC, с разными скоростями. При этом в смесителе поддерживается небольшое избыточное давление. Рабочая смесь охлаждается до температур несколько ниже 100^oC и поступает в приемную емкость с водой, где происходит ее разбавление до требуемой концентрации и окончательное охлаждение.

В описанном варианте авторами технически весьма корректно решена проблема выше условно названная технологией выливания "воды в кислоту".

Стационарный близкий к равновесному процесс заменен технологией в динамическом режиме.

Одновременно регламентирована необходимость минимизации времени пребывания бета-каротина в горячей зоне, в особенности, в состоянии его гомогенного раствора. Причина этого требования непосредственно в описании не указана. По-видимому, подразумевается нестабильность бета-каротина к окислению. Однако в примере обращается внимание на соотношение изомеров в конечном продукте и указано, что размер частиц лежит в диапазоне 20 30 мм.

Основным недостатком данного способа является то, что, следуя принципу введения воды в горячий раствор, авторы вынуждены предложить весьма сложное и потому практически "неудобное" техническое решение проблемы. Помимо аппаратурной сложности процесс имеет избыточные контрольные точки, в том числе становится необходимым помимо температуры контролировать скорость подачи реагентов, причем для суспензии бета-каротина скорость прокачки через горячую зону является весьма критическим параметром.

Проведение процесса в динамическом режиме далеком от равновесия должно сказываться на воспроизводимости и временах жизни системы в целом. Так в таблицах, характеризующих состояние системы, приведенных в примере, указанные технические и физико-химические параметры имеют явный статистический разброс, отклонения от среднего значения до 30 50% и более по размерам частиц и содержанию изомеров.

Этот способ выбран в качестве прототипа по принципу принадлежности к "горячей" технологии и потому, что позволяет получать в качестве конечной формы водно-эмульсионную, для которой приведена оценка размеров частиц микроэмульсии и соотношение изомеров бета-каротина. Однако, роль и значимость стандартизации технологических режимов непосредственно не выявлена его авторами. Соотношение изомеров указано лишь в таблице примера, причем отсутствует информация с 15 15' цис-форме и возможном образовании дицисизомеров.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в следующем.

На стадии приготовления раствора в неионогенном ПАВ устанавливают задаваемую терморегулятором верхнюю температуру, до которой нагревают среду (неионогенное ПАВ) еще до загрузки бета-каротина, причем эту температуру поддерживают ниже температуры плавления чистого кристаллического бета-каротина (полностью транс-формы).

При загрузке бета-каротина, которую необходимо проводить максимально быстро и при постоянном перемешивании, содержимое реактора охлаждается, т.к. нагреватель инерционен и температура загружаемого бета-каротина много ниже заданной температуры, а его растворение эндотермический процесс. Поскольку терморегулятор остается включенным фаза охлаждения автоматически переходит в фазу нагрева до установленной температуры. Проводят контроль реакционной среды на гомогенность с помощью поляризационного микроскопа или сильной лупы и скрещенных поляроидов.

Введение пробного контроля состояния реакционной среды на гомогенность, позволяет с хорошей точностью и воспроизводимостью определять момент перехода в гомогенное состояние. В принципе при одинаковых исходных время пребывания бета-каротина в горячей зоне до образования однородного раствора и время до полного отключения нагрева может быть определено с точностью до 20 30 сек.

Стационарные условия проведения процесса, минимизация и воспроизводимость времени пребывания бета-каротина при высокой температуре имеют существенное значение. Дело в том, что биоэффективность препаратов на основе бета-каротина определяется двумя факторами, зависящими от технологии.

Во-первых, это размер частиц-кристаллитов, определяющий усвояемость бета-каротина, диапазон изменения которой в зависимости отэтого параметра может изменяться от 2 3% до 90% Использование технологических методов с элементами молекулярного капсулирования ("горячая" технология в неионогенном ПАВ подходящего молекулярного строения) обеспечивает создание наиболее благоприятной для усвоения органической формы бета-каротина в препаратах.

Такие препараты хорошо совместимы с пищевыми технологиями, могут быть использованы в различных вариантах для приема перорально и для прямого введения в кровь путем инъекций.

Второй существенный фактор изомерный состав бета-каротина в готовой форме. Для молекулы бета-каротина характерно явление цис-транс изомерии. Причем теоретическое количество изомеров велико, поскольку в принципе возможны повороты относительно каждой двойной связи, за исключением двух, входящих в состав ионовых колец. Практическое значение имеют только те изомеры, время жизни которых достаточно велико. Это связано с тем, что повороты относительно некоторых связей затруднены, благодаря стерическим препятствиям. Обычно рассматривают основную форму полность транс-изомер бета-каротина и его 9, 13 и 15 цис-изомеры, а так же некоторые дицис-изомеры.

Биологическая значимость транс-цис изомерии связана с тем, что в организме бета-каротин подвергается ферментативному расщеплению с образованием спиртовых, альдегидных и кислотных производных, имеющих собственную высокую активность.

При симметричном расщеплении по 15 15'-связи образуются продукты соответствующие витамину А ретиноидные компоненты, количество и активность которых зависит от соотношения цис-транс изомеров исходного бета-каротина. Кроме того, изомеры самого бета-каротина и продуктов его несимметричного расщепления обладают специфической часто до конца еще не выясненной биологической активностью. Т.о. готовая форма бета-каротина с точки зрения воздействия на организм является многокомпонентной системой, совокупное действие которой определяется соотношением стереоизомеров. Если принимать во внимание только обычные изомеры бета-каротина, преобладающие в готовой форме, в биохимическом равновесии в организме образуется как минимум 25 изомеров с различной величиной и спецификой воздействия. По-видимому, этим объясняется широкий спектр действия и уникальностьсвойств бета-каротина.

Однако эти же причины имеют следствием то, что препараты, полученные различными технологическими методами, особенно такими, для которых стандартизация по изомерному составу не проводилась, обладают различным, иногда диаметрально противоположным действием. Отсюда и неоднозначность выводов, типичная для работ по изучению биоэффективности бета-каротина, в особенности для работ, выполненных с пользованием различных готовых форм, не охарактеризованных по изомерному составу.

Обычный источник природного бета-каротина растительные продукты, в которых около 40 50% полностью транс-формы и примерно 15 17% основных цис-изомерных форм. По-видимому, это естественное равновесное соотношение. Наиболее доступные готовые формы различных фирм, полученные из синтетического бета-каротина методом "сухого" эмульгирования (технология диспергирования путем измельчения в конденсионированном состоянии, исключающая фазу раствора или расплава) могут быть обогащены по содержанию полностью транс-формы до 90% или несколько более.

При использовании микробиологического сырья или введении в технологический процесс диспергирования через молекулярно-дисперсное состояние (хотя бы частично) обычно получают промежуточные результаты, так что при длительном хранении при тепловом воздействии и действии света эти соотношения меняются в сторону приближения к равновесному распределению при комнатной температуре.

Очевидно, что в принципе возможно несколько вариантов распределения. Одно из них достигается путем биохимических повреждений для изомеров бета-каротина, связанного растительными биополимерами.

Второй вариант равновесие достигаемое естественным путем при комнатной температуре. И третий совокупность систем, получаемых в горячих процессах с последующим замораживанием достигнутого распределения при охлаждении.

Таким образом сущность данного изобретения в части, касающейся 1-ой фазы "горячей" технологии, сводится к стандартизации технологического режима с выбором с помощью введенной методики контроля таких условий проведения 1-ой фазы получения гомогенной системы, когда не только прошло полное растворение, но и время пребываниябета-каротина при температуре гомогенизации строго фиксировано, что обеспечивает единообразие и воспроизводимость изомерного состава. Соотношение изомеров в этом варианте соответствует состоянию образования гомогенного раствора при температуре растворения.

На стадии собственно получения водной микроэмульсии происходит переход гомогенного горячего раствора в эмульгированное в воде в виде микрочастиц размером меньше 20 40 мм, в котором фиксируется и практически сохраняется длительное время состав с соотношением изомеров, полученным на первой фазе технологического процесса.

В предлагаемом варианте реализации способа горячий раствор, имеющий удельный вес больше, чем у воды (1,12 1,16), подают постепенно в большой объем воды. Температурный градиент (около 100 град.С) и свойства растворимости твина 80 или подобного неионогенного ПАВ (ГЛБ примерно 17 20) приводят к быстрому образованию микроэмульсии. Бета-каротин в виде раствора в неионогенном ПАВ сольватированные молекулы и ассоциаты, в которых длинные палочкообразные молекулы или гидрофобные микрокристаллиты ассоциаты стабилизированы за счет взаимодействия с гидрофобными частями дифильных молекул неионогенного ПАВ суть молекулярно капсулированы. В отсутствии воды границы раздела микрочастиц образованы полярными группами ПАВ и подвижность молекул бета-каротина или, что то же, между микрочастицами велика. При охлаждении такая система термодинамически неравновесна. При введении исходного горячего раствора в воду результат зависит от степени разбавления. Неоднородная в начале система претерпевает расслоение по полярным границам раздела микрочастиц с образованием визуально однородного псевдораствора. В начальный момент степень разбавления действует как кинетический фактор, а в последующем существенна концентрация микрочастиц. Критической является такая концентрация при данной температуре, когда частота соударений или время жизни слипшихся агрегатов сравнимы со временем миграции бета-каротина.

В этом случае возможен рост частиц с последующим расслоением и помутнением системы.

Понижающими стабильность факторами, приводящими к коагуляции, является повышение температуры до критической, присутствие многовалентных катионов и крупных инородных примесей.

Предварительную очистку воды проводят с целью снижения влияния последних двух факторов, косвенно как бы понижающих температуру коагуляции.

Воду получают пропуская через систему фильтров, обеспечивающих удаление механических примесей и снижение содержания неорганических солей до концентрации менее 1 0,3%
Критическую температуру коагуляции необходимо оценить заранее в модельном эксперименте для данного исходного бета-каротина.

При введении горячего раствора в воду происходит как общий, так и локальный ее нагрев вплоть до кипения (при очень больших скоростях введения). Температура коагуляции, как правило, ниже 90^oC.

С другой стороны, чем медленнее происходит процесс смешения, тем дольше раствор бета-каротина в неионогенном ПАВ остается в горячем состоянии. Это нежелательно, поскольку растут потери из-за окисления и неконтролируемо изменяется изомерный состав. Вообще время пребывания такого раствора в горячем состоянии желательно свести к минимуму.

В связи с этим предлагается ввести предварительное определение температуры коагуляции и регулировать подачу горячей фазы так, чтобы температура водной фазы оставалась вблизи Т (T_коаг. 10)^oC, что дает оптимальные результаты.

Для определения температуры коагуляции берут несколько мл неионогенного ПАВ, выбранного для проведения процесса, и вводят в него навеску образца исходного бета-каротина. Смесь нагревают до образования гомогенного раствора и выливают в воду при перемешивании.

В результате получается интенсивно окрашенная визуально однородная и прозрачная микроэмульсия. Пробу этой эмульсии наливают в стеклянный стакан и устанавливают его в водяную баню так, чтобы легко можно было визуально оценить его степень прозрачности. Пробу медленно нагревают при перемешивании, фиксируя температуру по термометру. За температуру коагуляции принимают температуру начала необратимого помутнения пробы. Эксперимент повторяют до достоверного совпадения измеренных значений температуры коагуляции.

Это определение проводят при масштабировании 1:(900 2000).

Установленная таким образом величина температуры коагуляции является параметром, характеризующим в целом процесс смешения. Еезначение может меняться при смене исходного сырья бета-каротина, особенно при переходе от синтетического к микробиологическому бета-каротину, при изменении качества воды или типа и/или качества неионогенного ПАВ.

Колебания значения температуры коагуляции для различного сырья и воды различного качества наблюдались в интервале 60 85^oC.

Своевременно проведенное измерение температуры коагуляции достаточно, чтобы приспособить способ к новому сырью и условиям.

Потери бета-каротина при термоокислении и его распаде составляют обычно 3 5%
Необходимо принимать во внимание, что в коммерческих препаратах бета-каротина, полученного микробиологическим путем, содержание бета-каротина может колебаться от 40 до 70%
Микроэмульсию можно использовать с вкусовыми и ароматизирующими добавками. При этом можно проводить разведение в интервале 1:16 24.

Осуществление способа подтверждается следующими примерами, но не исчерпывается ими.

Пример 1.

Для определения температуры коагуляции берут 30 мл твина-80 и вводят в него навеску образца 700 750 мг исходного бета-каротина. Смесь нагревают до образования гомогенного раствора и выливают в 100 мл воды при перемешивании.

В результате получается интенсивно окрашенная визуально однородная и прозрачная микроэмульсия. Пробу этой эмульсии объемом 10 20 мл наливают в стеклянный стакан и устанавливают его в водяную баню так, чтобы легко можно было визуально оценить его степень прозрачности. Пробу медленно нагревают при перемешивании, фиксируя температуру по термометру. Температура начала необратимого помутнения пробы Т_коаг. 77^oC.

В реактор заливают 7 л твина 80, предварительно подготовленного путем предварительного прогрева при 180^oC (заявка N 93-00917/04 от 25.02.93 с решением о выдаче патента) и содержащего1% альфа-токоферолацетата, рН 8 9.

Нагревают реактор до 170^oC при перемешивании и быстро водят в него 800 г кристаллического бета-каротина (в пересчете на 100%-ное содержание общего бета-каротина). При введении бета-каротина при перемешивании, несмотря на подключенную систему терморегулирования, установленную на 170^oC, наблюдают спад температуры до 146 148^oC с последующим ее ростом. После начала подъема температуры реактора, используя подсветку верхней его зоны, визуально устанавливают момент снижения мутности реакционной смеси и на предметное стекло берут пробу, гомогенность которой оценивают с помощью поляризационного микроскопа.

Отбирают пробы через 3 5 минут.

Когда на темном фоне наблюдается не более 1 3 рассеивающих точек, отключают нагрев реактора и переводят весь объем горячего раствора бета-каротина в твине-890 в приемную емкость при перемешивании. Приемная емкость объемом 40 л заполнена 22 л обессоленной воды с температурой 18^oC, в которую введена аскорбиновая кислота (1%) в качестве антиоксиданта.

Вводят горячий раствор бета-каротина в воду постепенно, следя за тем, чтобы температура реакционной смеси не поднималась выше T_коаг. - 10^oC 67^oC.

В результате в приемной емкости получают 30 л водной микроэмульсии бета-каротина с содержанием транс-формы 2,11%
Остальное цис-изомеры бета-каротина: 15 15' 0,22%
Пример 2.

Способ осуществляют, как описано в примере 1, используя в качестве исходного бета-каротин, полученный микробиологическим путем.

Получают водную микроэмульсию бета-каротина с концентрацией 2%
Пример 3.

Способ осуществляют, как описано в примере 1, используя 100 г бета-каротина. Получают водную микроэмульсию с содержанием бета-каротина 0,25%
Перед расфасовкой в нее добавляют вкусовые и ароматизирующие добавки из расчета на 30 л готового продукта:
сахар 3 кг,
лимонная кислота 75,0 г,
апельсиновая эмульсия 3,3
яблочная эссенция 3,0 г.

Пример 4.

Способ осуществляют, как описано в примере 1. Получают водную микроэмульсию с содержанием бета-каротина 2,0% После чего ее разбавляют водным раствором, содержащим вкусовые и ароматизирующие добавки, указанные в примере 3. Получают готовый к употреблению продукт с содержанием бета-каротина 0,25%
При осуществлении способа по примеру 1 воспроизводимость содержания изомерных форм: полностью транс-, 15 15'-, 9 9'-, 13 13' и дицис-) ± 4 6%
Микроэмульсия бета-каротина, полученная по предлагаемому способу, может быть использована для приготовления окрашивающего и витаминизирующего препарата, пригодного для использования в пищевой промышленности, фармацевтике, медицине и ветеринарии.

Использование: изобретение относится к пищевой промышленности, фармацевтике, медицине и ветеринарии. Способ получения микроэмульсии бета-каротина заключается в том, что определяют температуру коагуляции в пробе исходных компонентов, гомогенизацию бета-каротина в предварительно нагретом неионогенном ПАВ проводят в присутствии антиоксиданта, окончание процесса растворения в неионогенном ПАВ определяют по достижению гомогенности раствора, постепенно вносят полученный раствор в воду, поддерживая температуру реакционной среды ниже температуры коагуляции на 5 - 10 С., при значении конечного разбавления 1: (2,5 - 50). Микроэмульсию можно использовать со вкусовыми и ароматизирующими добавками. При этом можно проводить разведение в интервале 1: 16-24. 1 з.п. ф-лы.

1 1. Способ получения микроэмульсии бета-каротина, включающий гомогенизацию бета-каротина в предварительно нагретом неионогенном ПАВ в присутствии антиоксиданта с последующим смешением полученного раствора и воды, отличающийся тем, что на стадии гомогенизации окончание процесса растворения бета-каротина в неионогенном ПАВ определяют путем отбора проб и после достижения гомогенности независимо от температуры среды полученный раствор переносят в воду при поддержании температуры образующейся водной микроэмульсии ниже температуры коагуляции на 5 10<198>С и значении конечного разбавления 1 2,5 50,0, причем температуру коаугляции предварительно определяют в модельном опыте с использованием операций данного способа.2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру коагуляции определяют в пробе на основе исходных компонентов при масштабировании 1 900 2000.