Способ получения микрокапсулированных каротиноидов микроводорослей Chlorella vulgaris
METHOD FOR OBTAINING MICROENCAPSULATED CAROTENOIDS OF CHLORELLA VULGARIS MICROALGAE

Изобретение относится к области химической технологии получения инкапсулированных биологически активных веществ по типу «ядро-оболочка» и позволяет получать сферические микрочастицы с инкапсулированными каротиноидными пигментами.
К каротиноидам относятся более 500 органических соединений. Наличие разветвленной сопряженной структуры изопреновых фрагментов обусловливает липофильную природу каротиноидов. Выраженной физиологической активностью обладают каротиноиды, содержащие фрагменты циклогенсановых радикалов, которые, чаще всего, встречаются в двух изомерных формах - α и β [1-2]. В составе растений каротиноидные пигменты выполняют антиоксидантную, фотопротекторную, а также структурообразующую функции [3], а для животных организмов играют роль детоксицирующих и иммуноукрепляющих веществ, онкопротекторов, кардиопротекторов и протекторов других дегенеративных нарушений [4-5]. В пищевой и фармецевтической промышленности каротины используются в качестве натуральных пищевых красителей (желтого, оранжевого, красного).
Каротиноиды преимущественно получают синтетическим и биосинтетическим путем. При производстве пигментов путем органического синтеза возможно получить вещества с высокой степенью чистоты, однако данный способ является трудоемким и дорогостоящим. При производстве Биосинтетические пигменты получают в виде комплекса метаболитов, который в дальнейшем разделяют с помощью хроматографии [6]. К недостаткам биосинтетического способа получения каротиноидов стоит отнести длительное время накопления метаболита микроорганизмами-продуцентами.
Каротиноиды характеризуются высокой температурой плавления, однако окисляются кислородом воздуха, а также не устойчивы в кислых средах [7].
Chlorella
Из всего многообразия микроводорослей  относится к наиболее ценным, благодаря высокому содержанию липидоподобных соединений, в том числе, каротиноидов и других пластидных пигментов. В их числе фикоцианин, сифоноксантин, астаксантин, лороксантин, зеиноксантин, неоксантин, а также такие алленовые и ацетиленовые каротиноиды, как диатоксантин и диадиноксантин, и другие [8-10], которые могут быть использованы в пищевой промышленности в качестве биологически активной добавки.
Chlorella vulgaris
Заявляемый способ получения инкапсулированных каротиноидов, отличающийся тем, что материала ядра используют масляный раствор каротиноидов, выделенных из микроводорослей , в качестве материала оболочки - альгинат натрия, а процесс получения микрокапсул осуществляют методом коаксиального электроформования [11].
Аналог 1
Известен способ получения микрокапсулированных вкусоароматических веществ (Патент на изобретение RU 2 305 473 C1 «Способ микрокапсулирования вкусоароматических веществ и вкусоароматический продукт, полученный этим способом», опубл. 10.09.2007). Техническое решение этого изобретения предполагает производства микрокапсулируемых форм из капсулирующего компонента, которым является сухое обезжиренное молоко. Сухое молоко эмульгируют в воде при 20-40°C, с дальнейшим термостатированием при 45-75°C. Затем вкусоароматический компонент вводят в смесь с помощью дозирующего насоса, со скоростью подачи в 5-40 мл/мин. Полученную эмульсию сушат посредствам распылительной сушки, со скоростью подачи компонента 90-100 мл/мин. Полученный продукт представляет собой порошок с размером частиц в 20-70 мкм. К недостаткам данного метода стоит отнести низкую устойчивость материала носителя в кислых средах. Известно, что многие биологически активные вещества при попадании в кислую среду желудка (рН 1,3) подвергаются деградации после разрушения компонента-носителя.
Аналог 2
Известен также способ получения микрокапсул с жирорастворимой полимерной оболочкой (Патент на изобретение RU 2537397 C2 «Способ получения частиц инкапсулированного жирорастворимой полимерной оболочкой ароматизатора, обладающих супрамолекулярными свойствами» опубл. 10.01.2015). В качестве материала ядра в данном изобретении используется ароматизирующие вещество, а в качестве материала оболочки - жирорастворимый полимер. Ароматизатор растворяют в бутаноле в соотношении 100 мг/мл, затем диспергируют в раствор альгината натрия в ацетоне, далее приливают бутанол в качестве осадителя, после чего полученную смесь фильтруют и сушат при комнатной температуре. Данный способ не предполагает использования специализированного оборудования для формования микрокапсул, что является основным недостатком изобретения. Другими недостатками является отсутствие операции по удаления из дисперсии органических растворителей и отсутствие возможности использовать в качестве инкапсулята липофильные вещества, поскольку материал оболочки представляет собой жирорастворимый полимер.
Прототип
Dunaliella salina teodoresce
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является метод получения капсулированных каротиноидов, описанная в патенте CN 103005458 « beta-carotene microcapsule and preparation method thereof» опубл. 03.04.2013. Способ приготовления капсул заключается в получении эмульсии каротиноидов в водном растворе альгината натрия с помощью эмульгирующего агента твин-80 и последующем пропусканием эмульсии через иглу сечением 0,5-0,6 мм. Капли эмульсии вносят в водный раствор хлорида кальция, который уплотняет внешнюю оболочку «капли» за счет образования геля, «фиксируя» капли эмульсии. Таким образом, образующиеся частицы представляют собой внешнюю оболочку из альгината кальция, во внутреннем объеме которого заключена эмульсия каротиноидов в альгинате натрия. Недостатком данного метода является размер капсул, который составляет 0,5-0,6 мм, что не позволяет считать их микро-размерными частицами. Кроме того, данный способ приготовления не позволяет рассчитать содержание инкапсулированных каротиноидов во внутреннем объеме частиц, что ограничивает возможность их использования в качестве пищевой добавки.
Chlorella vulgaris
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение микрокапсул по типу «ядро-оболочка», размер которых составляет 10-20 мкм, при этом в качестве материала «ядра» используют масляный раствор каротиноидов, выделенных из биомассы микроводорослей , а в качестве материала «оболочки» - альгинат натрия. Соотношение материалов «ядра» и «оболочки» варьируется от 1:4 до 1:6 по объему соответственно. Материалы «оболочки» и «ядра» одновременно подают на коаксиально расположенные капилляры диаметром 0,20-0,25 мм и 1,0-1,2 мм соответственно, через которые материалы «оболочки» и «ядра» под действием электростатических сил распыляют в раствор 10% хлорида кальция и 1% полипропиленгликоля, на поверхности которого формируются микрокапсулы с оболочкой из альгината кальция, полученные микрокапсулы отделяют от раствора хлорида кальция, промывают дистиллированной водой и высушивают при температуре (25±2)°С.
5
7
4
n
В две цилиндрические емкости загружается масляный раствор каротиноидов и 1,5%-ный раствор альгината натрия (CHOCOONa). Масляный раствор каротиноидов под давлением подают через капилляр меньшего диаметра, а 1,5%-ный раствор альгината натрия - через капилляр большего диаметра. При этом капилляры расположены коаксиально: капилляр меньшего диаметра располагается внутри капилляра большего диаметра, что позволяет формовать микрочастицы типа «ядро-оболочка» [11]. Соотношение материалов «ядра» и «оболочки» варьируется от 1:4 до 1:6 (по объему) соответственно. При соотношении жидких объемов материала «ядра» и «оболочки» менее 1:4 не приводит к образованию микрокапсул требуемого размера, а при соотношении объемов материала «ядра» и «оболочки» более 1:6 частицы не образуются (таблица 1).
Таблица 1. Влияния соотношения жидких объемов материала «ядра» и «оболочки» на размер полученных микрокапсул и долю частиц размером более 100 мкм
Соотношение жидких объемов материала «ядра» и «оболочки»
Размер микрокапсул, мкм
Доля частиц размером от 10-20 мкм, %
1:3,5
Не образуются
Не образуются
1:4
5-30
15±5
1:4,5
15-45
15±5
1:5
45-100
25±5
1:5,5
45-100
40±5
1:6
45-100
80±5
1:7
не образуются
0
На фигуре 1 приведена диаграмма распределения получаемых микрочастиц по размеру. Доля частиц заявляемого размера составляет около 90%.
2
Из внутреннего и внешнего капилляров жидкости распыляют в раствор отвердителя, содержащий 10% хлорида кальция (CaCl) и 1% полипропиленгликоля, что позволяет сформировать на поверхности оболочки микрокапсул прочный гелевый каркас из альгината кальция, устойчивый в водных средах. При этом пропиленгликоль выполняет роль эмульгатора и стабилизатора поверхности образующегося гелевого слоя, препятствуя слипанию образующихся микрокапсул. На фигуре 2 представлена микроскопическая картина микрочастиц, полученных с использованием в качестве отвердителя смеси растворов хлорида кальция и пропиленгликоля (а - увеличение 1000×) и только раствора хлорида кальция (б - Увеличение 400×). Применение раствора хлорида кальция с концентрацией менее 10% не позволяет получить слой альгината кальция нужной прочности, в то время как при использовании растворов хлорида кальция с концентрацией выше 10% увеличивается длительность промывания полученных микрокапсул до нейтральных значений рН.
Схема получения инкапсулированных каротиноидов по типу «ядро-оболочка» заявляемым способом приведена на фигуре 3.
.
Полученные капсулы после седиментации отделяют от раствора хлорида кальция, промывают дистиллированной водой для удаления остатков раствора отвердителя, а затем высушивают при температуре (25±2)°С, например, в термостате
В таблице 2 представлены характеристики получаемых микрокапсул.
Таблица 2. Характеристики микрокапсул с инкапсулированными каротиноидами
Показатель
Значение
Размер, мкм
10 - 20
Устойчив в средах с pH
1,3 - 7,0
Стабилен в интервале температур, °С
4 - 45
Масса материала «ядра», нг
21 - 43
Толщина оболочки, мкм
2 - 4
Доля оболочка от общего размера частицы, %
10 - 17
Список литературы
Бриттон, Г. Биохимия природных пигментов / Г. Бритон. - М.: Мир, 1986. - 442 с.
Дейнека, В.И. Каротиноиды: строение, биологические функции и перспективы применения / В.И. Дейнека, А.А. Шапошников, Л.А. Дейнека, Т.С. Гусева, С.М. Вострикова, Е.А. Шенцева, Л.Р. Закирова //Актуальные проблемы медицины. - 2008. - Т. 6. - №. 6 (46). - 7 с.
Ладыгин В.Г. Пути биосинтеза, локализация, метаболизм и функции каротиноидов в хлоропластах различных видов водорослей // Федеральное государственное бюджетное учреждение науки, Институт фундаментальных проблем биологии, Российской академии наук, Вопросы современной альгологии. - 2015. - 87 с.
Шашкина, М.Я. Каротиноиды как основа для создания лечебно-профилактических средств / М.Я. Шашкина, П.Н. Шашкин, А.В. Сергеев // Российский биотерапевтический журнал. - 2009. - №4. - Т. 8. - С. 91-98.
Дымова, О.В. Фотосинтетические пигменты: функционирование, экология, биологическая активность / О.В. Дымова, Т.К. Головко // Известия уфимского научного центра РАН. - 2018. - № 3. - С. 5-16.
Шнайдман, Л.О. Производство витаминов / Л.О. Шнайдман //М.: Пищевая промышленность. - 1973. - 443 с.
Лебедев, И.С. Физиология растений / И.С. Лебедев. М.: Агропромиздат, 1988 г. - 3-е изд. - 544 с.
Andressa Bacalau Diprat, Roberta Cruz Silveira Thys, Eliseu Rodrigues, Rosane Rech, Chlorella sorokiniana: A new alternative source of carotenoids and proteins for gluten-free bread, LWT, Volume 134, 2020, 109974.
Guedes, A.C.; Amaro, H.M.; Malcata, F.X. Microalgae as sources of carotenoids. Mar. Drugs. 2011.- 9.- 625-644.
Галицкая А.А. Эколого-биохимическая адаптация WOLFFIA ARRHIZA (L.) к абиотическим и биотическим факторам среды: автореф. дис. … канд. био. наук. - Саратов, 2012. - 20 с.
Филатов, Ю.Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс) / Ю.Н. Филатов. - М.: ГНЦ РФ НИФХИ им. Л.Я. Карпова. - 1997. - 231 с.