RU2805649C1

RU2805649C1 - Способ коацервации дигидрокверцетина

Info

Publication number: RU2805649C1
Application number: RU2023107623A
Authority: RU
Inventors: Ринат Ильгидарович Фаткуллин; Наталья Владимировна Науменко; Ирина Валерьевна Калинина; Екатерина Евгеньевна Науменко; Алена Андреевна Арзамасцева
Filing date: 2023-03-29
Publication date: 2023-10-23

Abstract

Изобретение относится к пищевой промышленности. Предложен способ инкапсуляции дигидрокверцетина методом коацервации с применением природных биополимеров. В качестве биополимеров используют желатин свиной и пектин цитрусовый. При этом первоначально подготавливают раствор желатина и раствор пектина в дистиллированной воде, с содержанием желатина и пектина в каждом растворе в количестве 2 мас.% к объему дистиллированной воды при рН=7. Каждый раствор перемешивают при температуре 45°С в течение 30 минут магнитной мешалкой при скорости 500 об/мин. Продолжая перемешивать, в раствор желатина вносят дигидрокверцитин в количестве 1-2 мас.% к объему раствора, продолжают перемешивать 20 минут при температуре 40°С. В полученную смесь вносят раствор пектина и перемешивают 5 минут. Затем снижают значение рН смеси до 2-4 единиц с помощью 0,5н соляной кислоты, понижают температуру смеси до 10°С на ледяной бане при механическом перемешивании в течение 15 минут. Затем полученную смесь выдерживают при комнатной температуре 24 часа. Изобретение направлено на сохранение антиоксидантных свойств дигидрокверцетина. 1 табл., 2 пр.

Description

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для производства молочных продуктов, хлебобулочных и кондитерских изделий с антиоксидантными свойствами за счет внесения дигидрокверцетина, инкапсулированного в коацерваты пектина с желатином.

В фармацевтической промышленности известен способ получения лекарственных и биологически активных средств, предусматривающий растворение бикарбоната натрия и бикарбоната калия в воде таким образом, чтобы соотношение ионов натрия к ионам калия в воде составило 2 – 6:1, затем понижение окислительно-восстановительного потенциала полученного раствора до значения от 0 мВ до –900 мВ и растворении активного ингредиента лекарственного или биологически активного средства в полученном растворе. Изобретение относится к фармацевтической промышленности и может быть использовано для производства лекарственных и оздоровительных средств, средств медицинского назначения, биологически активных добавок, ветеринарных средств [1].

Однако, применение данного способа в технологии получения пищевых продуктов крайне затруднено, так как его технический результат достигается только в случае, если активный ингредиент имеет стабильную во времени восстановленную форму, что практически невозможно при работе с пищевыми ингредиентами и биологически активными веществами природного происхождения.

В пищевой промышленности известны способы инкапсуляции и матричного концентрирования вкусовых веществ водных пищевых продуктов и полученных из них продуктов, предусматривающие смешивание вкусового вещества с раствором проламина и сушку смеси с целью получения инкапсулированного вкусового вещества в виде порошка, при этом в первом из вариантов до смешивания по отдельности диспергируют вкусовое вещество и зеин в смеси из спирта и воды в соответствующем соотношении; во втором варианте – смешивают с раствором проламина водный раствор пищевого продукта, содержащий биологически активные компоненты, что инициирует осаждение проламина и концентрирование биологически активных компонентов в водном растворе; в третьем варианте – применяется двухфазная сушка, включающая удаление спирта с целью индуцированной испарением самосборки микроструктур зеина с последующим высушиванием для получения порошка [2]. Изобретение позволяет получать натуральные пищевые продукты, обладающие ароматом и высококонцентрированным вкусом исходного сырья, а также выделять и концентрировать биологически активные компоненты.

Однако, применение данных способов возможно только для хорошо растворимых веществ, тогда как многие биологически активные вещества, например, дигидрокверцетин, имеют очень низкую растворимость в воде.

Технической задачей и достигаемым результатом заявляемого изобретения является расширение арсенала способов получения пищевых веществ и продуктов с высокими биоактивными свойствами, сохраняющимися при их использовании.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что способ инкапсуляции дигидрокверцетина включает предварительное получение двух водных растворов инкапсулирующих веществ: желатина и пектина (2 мас. %/об.), для чего по 1 г желатина и пектина растворяют в 25 мл дистиллированной воды и доводят значения растворов до рН = 7, добавляя небольшими порциями NaOH 1,0 н., затем доводят объем каждой жидкости до 50 мл; далее растворы желатина и пектина перемешивают при 45°C в течение 30 мин на магнитной мешалке при скорости 500 об/мин; далее в подготовленный раствор желатина, не прекращая перемешивание, вносят 0,5 – 1,0 г порошка дигидрокверцетина, перемешивают в течение 20 мин при температуре 40°C, по истечению времени к смеси добавляют раствор пектина и перемешивают еще 5 мин; для начала процесса коацервации снижают значение рН до 2 – 4 единиц путем внесения 0,5 н. HCl, далее температуру полученной смеси быстро снижают до 10°C, используя ледяную баню, активно перемешивая при этом полученную смесь стеклянной палочкой в течение 15 мин; смесь оставляют в покое при комнатной температуре на 24 часа.

Способ инкапсуляции дигидрокверцетина методом коацервации с применением природных биополимеров, согласно изобретения, включает использование в качестве биополимеров желатина свиного и пектина цитрусового, при этом первоначально подготавливают раствор желатина и раствор пектина в дистиллированной воде, с содержанием желатина и пектина в каждом растворе в количестве 2 мас% к объему дистиллированной воды при рН=7; каждый раствор перемешивают при температуре 45ºС в течение 30 минут магнитной мешалкой при скорости 500 об/мин; продолжая перемешивать в раствор желатина вносят дегидрокверцетин в количестве 1-2 мас.% к объему раствора, продолжают перемешивать 20 минут при температуре 40ºС, в полученную смесь вносят раствор пектина и перемешивают 5 минут, затем снижают значение рН смеси до 2-4 единиц с помощью 0,5н соляной кислоты, понижают температуру смеси до 10ºС на ледяной бане при механическом перемешивании в течение 15 минут, затем полученную смесь выдерживают при комнатной температуре 24 часа.

Коацервация – метод инкапсуляции, при котором капсулируемый продукт, находящийся в фазе эмульсии или суспензии, покрывается тонкой нерастворимой оболочкой полимера. Название метода происходит от явления коацервации – процесса агрегации коллоидных сфер, которые слипаются под действием электростатических сил. При этом в растворах образуются коацерваты – частицы конденсированной коллоидной фазы. В качестве полимеров обычно используются макромолекулы белков и углеводов. Коацервация позволяет получить продукт в виде тонкого порошка-гранулята или суспензии с размером частиц от 10 до 800 мкм. Оболочка капсулы нерастворима и разрушается только в результате механического воздействия.

Сущность процесса коацервации заключается в агрегации коллоидных сфер, которые слипаются под действием электростатических сил. Наиболее важным фактором, определяющим успешность процесса коацервации биологически активных веществ является выбор материала-носителя. Инкапсулирующие агенты эффективно защищают биологически активные соединения от негативного воздействия внешних факторов, снижающих их активность. Для коацервации в предлагаемом способе использованы природные биополимеры белковой и углеводной природы: желатин свиной и пектин цитрусовый. Использование этих биополимеров обусловлено тем, что они не токсичны для организма человека и разрешены к применению в пищевых производствах.

Сущность предлагаемого способа коацервации дегидрокверцетина заключается в следующем.

На первом этапе проводится подготовка двух растворов инкапсулирующих веществ со значением рН=7. Для этого подготавливается по 50 мл водных растворов инкапсулирующих веществ – желатина и пектина (2мас.%/об.- содержание желатина или пектина к объему дистиллированной воды), для чего в 2-а химических стакана объемом 200 мл каждый помещают по 1 г желатина и пектина соответственно. К биополимерам добавляют по 25 мл дистиллированной воды (используя цилиндр) и доводят значения растворов до рН = 7 ед., добавляя небольшими порциями NaOH 1,0 н. Затем доводят каждый объем до 50 мл добавлением дистиллированной воды, учитывая объем добавленной щелочи.

Растворы желатина и пектина (каждый) перемешивают при 45°C в течение 30 мин на магнитной мешалке при скорости 500 об/мин (до полного растворения).

Затем осуществляют внесение биологически активного вещества (дигидрокверцетина) в раствор желатина. Для этого в подготовленный раствор желатина, не прекращая перемешивание на магнитной мешалке, вносят 0,5 – 1,0 г (1–2 мас.%) порошка дигидрокверцетина, перемешивают в течение 20 мин при температуре 40°C. Затем в полученную смесь вносят раствор пектина и перемешивают еще 5 мин.

На следующем этапе осуществляется создание условий для коацервации. Для начала коацервации необходимо снизить значение рН до 2 – 4 ед. Для этого в полученную смесь растворов, не прекращая перемешивать, вносят небольшие объемы 0,5 н HCl (постоянно контролируя значения рН). Затем температуру полученной смеси быстро снижают до 10°C используя ледяную баню, механически активно перемешивая при этом полученную смесь стеклянной палочкой в течение 15 мин.

Для полного протекания процесса коацервации смесь оставляют в покое при комнатной температуре на 24 часа.

В качестве биологически активного вещества с высокими антиоксидантными свойствами в предлагаемом способе используется флавоноид дигидрокверцетин, инкапсулированный в коацерваты пектина с желатином.

Дигидрокверцетин (ГОСТ 33504-2015) представляет собой флавононол, получаемый из природного растительного сырья – комлевой части древесины сибирской лиственницы (Larix sibirica Ledeb), лиственницы Гмелина или даурской лиственницы [Larix gmelini (Rupr) Rupr, синоним L. dahurica Turcz], предназначенный для использования в пищевой промышленности в качестве антиокислителя [3].

В настоящее время он является эталонным продуктом, обладающим самой высокой антиоксидантной активностью. Благодаря выраженной антиоксидантной активности дигидрокверцетин обладает противовоспалительными, иммуннопротекторными свойствами, улучшает микроциркуляцию и текучесть крови, способствует восстановлению структуры соединительной ткани, снижению уровня холестерина, препятствует образованию тромбов [4, 5, 6]. Однако, сложная химическая формула и превращения в процессе пищеварения могут привести к значительному снижению или полной потере биоактивных свойств. Решением указанной проблемы является технология инкапсуляции в коацерваты пектина с желатином. Полученные коацерваты вносятся в продукт в виде суспензии.

Существенным отличительным признаком предлагаемого способа инкапсуляции является создание комплексных соединений - коацерватов пектина с желатином, между которыми заключены молекулы дигидрокверцетина.

Желатин – гелеобразователь белковой природы, состоящий преимущественно из коллагена, который широко используется в пищевой промышленности. Желатин представляет собой смесь линейных полипептидов с различной молекулярной массой в сухом порошкообразном виде, не имеет вкуса и запаха.

Пектин – желирующий компонент углеводной природы. Пектин состоит из остатков галактуроновой кислоты и сложных метиловых эфиров галактуроновой кислоты, образующих линейные полисахаридные цепи. В данном способе использовался высокоэтерифицированный пектин. Пектин представляет собой сухой порошок, который не имеет запаха, от светло-бежевого до коричневатого цвета. Пектин имеет индекс Е440 и широко применяется в пищевой промышленности в качестве гелеобразователя.

Концентрация водных растворов пектина и желатина должна быть одинаковой, экспериментально ранее было установлено значение – 2 мас. %/об. Опытным путем установлено, что значение водных растворов биополимеров рН = 7 позволяет максимально растворить молекулы пектина и желатина в воде при температуре 45°C в течение 30 мин на магнитной мешалке при скорости 500 об/мин.

Ранее опытным путем нами установлено, что размещение дигидрокверцетина в водном растворе желатина при перемешивании в течение 20 мин при температуре 40°C является достаточным для последующего процесса инкапсуляции.

Содержание дигидрокверцетина менее, чем 0,5 г (1 мас.%) порошка приводит к получению низко концентрированного раствора и низкому объему захвата молекул, что подтверждается низкими значениями показателя «Эффективность инкапсуляции».

Содержание дигидрокверцетина более, чем 1,0 г (2 мас.%) порошка, приводит к получению излишне концентрированного раствора и также снижает значения показателя «Эффективность инкапсуляции».

Так как процесс инкапсуляции основывается на притяжении молекул биополимеров в момент снижения величины рН, то данная характеристика контролируется до достижения диапазона значений рН 2 – 4 ед. С целью образования устойчивых коацерватов температуру системы резко снижают до величины 10°C, используя ледяную баню, активно механически перемешивая при этом полученную смесь стеклянной палочкой в течение 15 мин. С этой же целью смесь оставляют в покое при комнатной температуре на 24 часа.

Реализация способа иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Технологический процесс изготовления осуществляется в следующей последовательности:

1. На первом этапе проводится подготовка растворов инкапсулирующих веществ со значением рН=7. Для этого подготавливается по 50 мл водных растворов инкапсулирующих веществ – желатина и пектина (2 мас. %/об.), для чего в 2 химических стакана объемом 200 мл каждый взвешивают по 1 г желатина (желатин говяжий, изготовитель Dr.Oetker) и пектина (пектин цитрусовый, изготовитель Valde) соответственно. К биополимерам добавляют по 25 мл дистиллированной воды (используя цилиндр) и доводят значения растворов до рН = 7 ед., добавляя небольшими порциями NaOH 1,0 н. Затем добавлением дистиллированной воды доводят объем до 50 мл, учитывая объем добавленной щелочи. Растворы желатина и пектина каждый перемешивают при 45°C в течение 30 мин на магнитной мешалке при скорости 500 об/мин (до полного растворения).

2. Производят внесение биологически активного вещества (БАВ) дигидрокверцетина. Для этого в подготовленный раствор желатина, не прекращая перемешивание, вносят 0,5 г порошка дигидрокверцетина (Дигидрокверцетин Сибирский-П, ООО «НПК «Сибирские технологии»), перемешивают в течение 20 мин при температуре 40°C. Затем в полученный раствор вносят раствор пектина и перемешивают еще 5 мин.

3. Создание условий для коацервации. Снижают значение рН до 2 ед. Для этого в раствор, не прекращая перемешивать, вносят небольшие объемы 0,5 н HCl (постоянно контролируя значения рН). Затем, после достижения рН=2, температуру полученной смеси быстро снижают до 10°C, используя ледяную баню, активно перемешивая при этом полученную смесь стеклянной палочкой в течение 15 мин.

4. Для полного протекания процесса коацервации смесь оставляют в покое при комнатной температуре на 24 часа.

Пример 2.

2. Производят внесение БАВ (дигидрокверцетина). Для этого в подготовленный раствор желатина, не прекращая перемешивание вносят 1,0 г порошка дигидрокверцетина (Дигидрокверцетин Сибирский-П, ООО «НПК «Сибирские технологии»), перемешивают в течение 20 мин при температуре 40°C. Затем в полученный раствор вносят раствор пектина и перемешивают еще 5 мин.

3. Создание условий для коацервации. Снижают значение рН до 4 ед. Для этого в раствор, не прекращая перемешивать вносят небольшие объемы 0,5 н HCl (постоянно контролируя значения рН). Затем после достижения рН=2, температуру полученной смеси быстро снижают до 10°C, используя ледяную баню, активно перемешивая при этом полученную смесь стеклянной палочкой в течение 15 мин.

Результаты определения физико-химических показателей, характеризующих эффективность процесса инкапсуляции представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты определения физико-химических показателей, характеризующих эффективность процесса инкапсуляции

Показатель	Значения
Показатель	Контроль*	Опыт**	Опыт***
Эффективность инкапсуляции, %	–	76	78
Антиоксидантная активность, % DPPH	96,3	60,1	56,2
И_БД, % (по дигидрокверцетину)****	60	84	89
И_БА, %*****	54	95	104

Контроль* – это дигидрокверцетин, растворенный в дистиллированной воде без инкапсуляции в соотношении 1 г на 50 мл (2 мас.%);

Опыт** – образец, полученный по предлагаемой технологии инкапсуляции (Пример 1);

Опыт*** – образец, полученный по предлагаемой технологии инкапсуляции (Пример 2);

И_БД, % (по дигидрокверцитену)****– индекс биодоступности вещества;

И_БА, %*****– индекс биоактивности вещества.

Термин «биодоступность» описывается как часть «переваренного» биологически активного вещества (дигидрокверцетина), которая высвобождается из системы капсул и свободно усваивается в кишечнике.

Индекс биодоступности (ИБД, %), рассчитывается по формуле:

где К_кон – концентрация дигидрокверцетина после процесса переваривания in vitro;

К_исх – концентрация дигидрокверцетина в исследуемом растворе (0,1 %) до процесса переваривания.

Индекс биоактивности (И_БА, %), рассчитываемый по формуле:

где АОА_кон – антиоксидантная активность (DPPH, %) дигидрокверцетина после процесса переваривания in vitro;

АОА_исх – антиоксидантная активность (DPPH, %) дигидрокверцетина в исследуемом растворе до процесса переваривания.

Эффективность инкапсуляции (ЭИ) определяется, как отношение БАВ, инкапсулированных, к количеству БАВ, оставшемуся на поверхности капсул. Коротко, к 0,2 г полученной суспензии добавляли 1 мл этанола и аккуратно перемешивали, затем определяли содержание БАВ в надосадочной жидкости.

Эффективность инкапсуляции в % рассчитывали по формуле:

где Х1 – общее содержание БАВ (после процедуры разрушения капсул), мг;

Х0 – содержание неинкапсулированного БАВ, мг;

Х2 – количество БАВ, добавленное при инкапсуляции, мг.

Антиоксидантная активность при проведении процесса инкапсуляции снижается на 36,2 – 40,1 % по отношению к контрольному образцу. Данные результаты могут быть обусловлены тем, что комплексная защитная оболочка из желатина и пектина при коацервации полностью покрывает биологически активное вещество, не позволяя ему вступать в реакцию с DPPH-реактивом. Также это может быть объяснено экранировкой части OH-групп дигидрокверцетина при формировании конъюгата, которые не приняли участия в реализации антиоксидантного эффекта.

Согласно имеющихся в литературе данных, эффективность инкапсуляции при использовании комплексной коацервации составляет в среднем 60 – 80 % и в значительной степени зависит от правильно подобранных условий проведения процесса инкапсуляции, в первую очередь, значений рН. Представленные результаты эффективности инкапсуляции опытных образцов 76 – 78 % свидетельствуют о высокой эффективности используемого способа инкапсуляции.

При этом индексы биодоступности (по дигидрокверцетину) и биоактивности полученных опытных образцов значительно выше, относительно контроля, что подтверждает эффективность процесса инкапсуляции и полезные свойства полученного продукта.

Существенными преимуществами предлагаемого способа инкапсуляции являются следующие:

– сохранение выраженных антиоксидантных свойств биологически активного вещества;

– использование дигидрокверцетина, инкапсулированного в коацерваты пектина с желатином позволяет сохранять антиоксидантные свойства производимых пищевых веществ и активировать их на стадии усвоения продукта организмом человека.

Изобретение может быть использовано как на мини-заводах, так и на предприятиях большой сменной мощности.

Источники информации

1. RU № 2479318, МПК A61K 47/04 (2006.01), A61K 31/19 (2006.01), A61K 31/194 (2006.01), A61K 31/616 (2006.01), A61K 31/7105 (2006.01), A61K 31/00 (2006.01), A61K 9/08 (2006.01), A61J 3/00 (2006.01) Способ получения лекарственных и биологически активных средств: заявка № 2012112108/15; заявл. 29.03.2012; опубл. 20.04.2013. – 13 с.

2. RU № 2597177, МПК A23L 27/00 (2016.01), A23L 3/44 (2006.01) Способы инкапсуляции и матричного концентрирования вкусовых веществ водных пищевых продуктов и полученных из них продуктов: № 2013150134/13; заявл. 11.04.2012; опубл. 11.04.2012. – 35 с.

3. ГОСТ 33504-2015. Добавки пищевые. Дигидрокверцетин. Технические условия.

4. Дигидрокверцетин – таксифолин – антиоксидант [Электронный ресурс]. – Режим доступа : https://flavitax.jimdo.com.

6. Влияние процесса инкапсуляции на сохранение антиоксидантных свойства флавоноидов / Р.И. Фаткуллин, А.К. Васильев, И.В. Калинина и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». – 2021. – Т. 9, № 1. – С. 38–47. DOI: 10.14529/food210105

5. Potoroko, I.Yu. Plant adaptogens in spe-cialized food products as a factor of homeostatic regulation involving microbiota / I.Yu. Potoroko, M.A. Berebin, I.V. Kalinina et al. // Человек. Спорт. Медицина. – 2018. – Т. 18, № 2. – С. 97−108. DOI: 10.14529/hsm180209

Claims

Способ инкапсуляции дигидрокверцетина методом коацервации с применением природных биополимеров, отличающийся тем, что в качестве биополимеров используют желатин свиной и пектин цитрусовый, при этом первоначально подготавливают раствор желатина и раствор пектина в дистиллированной воде, с содержанием желатина и пектина в каждом растворе в количестве 2 мас.% к объему дистиллированной воды при рН=7; каждый раствор перемешивают при температуре 45°С в течение 30 минут магнитной мешалкой при скорости 500 об/мин; продолжая перемешивать в раствор желатина вносят дигидрокверцетин в количестве 1-2 мас.% к объему раствора, продолжают перемешивать 20 минут при температуре 40°С, в полученную смесь вносят раствор пектина и перемешивают 5 минут, затем снижают значение рН смеси до 2-4 единиц с помощью 0,5 н соляной кислоты, понижают температуру смеси до 10°С на ледяной бане при механическом перемешивании в течение 15 минут, затем полученную смесь выдерживают при комнатной температуре 24 часа.