СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ АЛЬГИНАТА НАТРИЯ
METHOD FOR INCREASING BIOLOGICAL ACTIVITY OF SODIUM ALGINATE

Изобретение относится к пищевой и химико-фармацевтической промышленности, а именно к производству биологически активных веществ, обладающих повышенной антиоксидантной активностью.
Альгиновая кислота и альгинаты являются основными полисахаридами бурых морских и океанических водорослей, обладающими целым комплексом доказанных биологически активных свойств, включая антитоксические и антирадиационные, антиоксидантные, иммуномодулирующие и антимикробные свойства. При этом величина биологической активности зависит от природы мономерных звеньев, структуры основной цепи полисахарида (длина, степень разветвления), содержания и расположения групп заместителя, а также молекулярной массы полисахарида. Известно, что высокая молекулярная масса альгината натрия может являться ограничительным фактором для проявления его биологической активности.
В связи с этим актуальным направлением современных исследований является поиск способа снижения молекулярной массы альгината натрия с целью повышения его биологической активности.
В настоящее время существуют традиционные и инновационные технологии снижения молекулярного веса частиц, включая разного рода химическое, физическое и биологическое воздействие.
Известен способ получения биополимеров с заданной средней молекулярной массой (RU 2700420, заявл. 06.02.2015, опубл. 22.03.2018), включающий: лиофилизацию композиции, содержащей полисахариды, факультативно, очистку и/или выделение полисахарида. Применение полученного биополимера, полученного посредством данного способа, предназначено для получения фармацевтического, дерматологического или косметического продукта.
Недостатком способа является отсутствие антиоксидантной активности полученных препаратов.
Известен способ биодеструкции полисахаридов бурых водорослей методом ферментативного гидролиза. Эффективность метода зависит от ряда факторов, важными из которых являются дозировка ферментного препарата, температура и рН реакционной среды, при которых протекает гидролиз, а также время гидролиза [1].
Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения производного натриевой соли альгиновой кислоты (RU 2691990, заявл. 19.03.2015, опубл. 19.06.2019), полученный биотехнологическим методом, имеющий среднечисловую молекулярную массу 3134 Да. Биотехнологическая модификация альгиновой кислоты с получением производного альгината натрия позволяет значительно повысить противовоспалительные, регенерирующие и гастропротективные свойства. При этом полученный продукт не может быть использован в пищевой промышленности.
Недостаток способа состоит в ограничении сферы применения продуктов из альгината натрия.
2
Известен способ микронизации фукоидана (RU 2707872, заявл. 22.05.2019, опубл. 02.12.201), принятый нами за прототип, заключается в микронизации фукоидана, содержащегося в составе биологически активной добавки к пище на основе морских бурых водорослей в количестве не менее 60 мас. %, за счет ультразвуковой обработки, согласно изобретению характеризуется тем, что биологически активную добавку растворяют в дистиллированной воде, затем производят обработку ультразвуком с частотой механических колебаний 20±2,0 кГц, интенсивностью излучения 10 Вт/см, мощностью 240-630 Вт/л в течение 20-30 минут при температуре 50±5°С. Достигается увеличение степени биодоступности и антиоксидантной активности фукоидана путем тонкого диспергирования частиц данного полисахарида. Однако, учитывая отличия в химическом составе фукоидана и альгината натрия, необходимо подобрать оптимальный режим ультразвуковой обработки для увеличения биоактивности и биодоступности альгината натрия.
Технической задачей настоящего изобретения является увеличение биологической активности альгината натрия и биодоступности методом сонохимического микроструктурирования, связанное с увеличением степени его дисперсности и изменения структурных характеристик макрочастиц, путем ультразвуковой обработки водного раствора.
2
Указанный технический результат достигается тем, что альгинат натрия растворяют в дистиллированной воде (1%-й раствор), затем производят обработку ультразвуком с частотой механических колебаний 22±1,65 кГц, интенсивностью излученияне менее 10 Вт/см, мощностью 630 Вт/л в течение 18 минут при контроле температурного режима на уровне 50±5°С.
Сущность способа поясняется следующими схемами, графиками и таблицами.
На фиг. 1 представлена табл. 1, в которой представлены результаты исследования дисперсного состава растворов альгината натрия в сопоставлении с морфологическим строением частиц.
На фиг. 2 представлена табл. 2, в которой представлены результаты исследования влияния разных режимов сонохимического микроструктурирования на общую антиоксидантную активность растворов альгината натрия.
На фиг. 3 представлен график, отражающий результаты определения индекса биоактивности (ИБА) и прироста простейших вида Paramecium caudatum в питательной среде с использованием нативного и микроструктурированного альгината натрия.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
2
Альгинат натрия растворяют в дистиллированной воде (1%-й раствор), затем производят обработку ультразвуком с частотой механических колебаний 22±1,65 кГц, интенсивностью излучения не менее 10 Вт/см, мощностью 630 Вт/л в течение 18 минут при контроле температурного режима на уровне 50±5°C (с использованием охлаждающей рубашки).
2
В качестве ультразвукового источника был использован аппарат ультразвуковой «ВОЛНА», модель УЗТА-0,63/22-ОМ (ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», г. Бийск, 2017), предназначенный для интенсификации физико-химических процессов в системах с жидкой дисперсионной средой. В основу работы ультразвукового аппарата положен принцип электронного преобразования энергии электрической промышленной сети в механические ультразвуковые колебания с помощью пьезоэлектрического эффекта. Исходные технические характеристики прибора: частота механических колебаний 22±1,65 кГц, интенсивность излученияне менее 10 Вт/см. При этом варьируется мощность воздействия (190 Вт…630 Вт) и время экспозиции.
В качестве действующего начала ультразвукового воздействия выступает акустическая кавитация, эффекты которой сопряжены с образованием мельчайших газовых пузырьков, которые после нарастания схлопываются с высвобождением энергии. Процесс деполимеризации полисахаридов, вызванный акустической кавитацией, включает два возможных механизма: механическое разрушение молекул биополимера, происходящее из-за схлопывания кавитационных пузырьков, и химическое разложение, вызванное химическими реакциями между молекулами биополимера и молекулами высокой энергии (например, образующимися от кавитации свободными гидроксильными радикалами). Разрыв полимерных цепей в результате сонолиза не носит рандомный характер, а осуществляется в середине молекулы, при этом более крупные молекулы разрушаются быстрее.
В результате сонохимического микроструктурирования альгината натрия наблюдается деполимеризация крупных конгломератов на более короткие элементы размером 5670 нм - 30,6%, 502 нм - 53,4%, 56,1 нм - 16%; на поверхности частиц отмечено наличие ячеистости и надрывов (фиг. 1); увеличение антиоксидантной активности в 7 раз от 20,2% DPPH до 149,6% DPPH (фиг. 2); улучшение биоактивности и биодоступности (фиг. 3).
Анализ изображений, полученных методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), образцов альгината натрия показал, что после ультразвуковой обработки отмечено наличие структурных изменений. Альгинат натрия в нативной форме представляет собой частицы нитевидной иррациональной формы с гладкой структурой поверхности (размером преимущественно 5650 нм). После микроструктурирования наблюдается деполимеризация крупных конгломератов на более короткие элементы (размером 5670 нм - 30,6%; 502 нм - 53,4%; 56,1 нм - 16%), на поверхности частиц отмечено наличие ячеистости и надрывов.
Анализ результатов исследования суммарной антиоксидантной активности альгината натрия после сонохимического микроструктурирования показал, что с увеличением мощности воздействия происходит наращивание данного показателя. При увеличении времени экспозиции значение общей антиоксидантной активности уменьшается. При обработке ультразвуком мощностью ниже 240 Вт/л значение показателя общей антиоксидантной активности практически не менялось, также данный эффект не наблюдался при воздействии менее 20 мин. При обработке ультразвуком мощностью 630 Вт/л более 30 мин прекращается наращивание показателя антиоксидантной активности, также при этом происходит удорожание технологии, связанное с увеличением энергозатрат.
После процесса переваривания in vitro происходит снижение общей антиоксидантной активности альгината натрия нативной и микроструктурированной формы в среднем на 60% в связи с блокировкой активных гидроксильных групп. При этом потенциальная биоактивность микроструктурированной формы альгината натрия на 3,9% превышала контрольный образец.
Процесс сонохимического микроструктурирования альгината натрия не оказывает токсичного действия на простейших вида Paramecium caudatum, при этом происходит количественный прирост инфузорий на 27,2% по сравнению с контрольным образцом. Данные наблюдения могут косвенно свидетельствовать об увеличении биодоступности и усвояемости микроструктурированной формы альгината натрия клеточными структурами.
Данное изобретение можно проиллюстрировать следующими примерами.
Пример 1 (контроль).
Альгинат натрия пищевой бурых водорослей Laminaria Digitata и Laminaria Saccharina (ТУ 15-544-83, TOPSPICE, Россия) растворяют в дистиллированной воде с температурой 50°С.
Пример 2.
2
Альгинат натрия пищевой бурых водорослей Laminaria Digitata и Laminaria Saccharina (ТУ 15-544-83, TOPSPICE, Россия) растворяют в дистиллированной воде (1%-й раствор) и подвергают воздействию ультразвуком с частотой механических колебаний 22±1,65 кГц, интенсивностью излучения не менее 10 Вт/см, мощностью 630 Вт/л в течение 18 минут при контроле температурного режима на уровне 50±5°C (с использованием охлаждающей рубашки).
В результате сонохимического микроструктурирования альгината натрия наблюдается деполимеризация крупных конгломератов на более короткие элементы размером 5670 нм - 30,6%, 502 нм - 53,4%, 56,1 нм - 16%; на поверхности частиц отмечено наличие ячеистости и надрывов; увеличение антиоксидантной активности в 7 раз от 20,2% DPPH до 149,6% DPPH; повышение индекса биоактивностина 3,9% и биодоступности (количественный прирост Paramecium caudatum на 27,2%).
Таким образом, одним из возможных подходов для обеспечения биологической активности альгината натрия может быть снижение молекулярной массы методом сонохимического микроструктурирования.
Изобретение может быть использовано для повышения биологической активности альгината натрия в условиях предприятий пищевойи химико-фармацевтической промышленности.
Аналогов данного способа в патентной и научно-технической литературе не установлено, что свидетельствует о новизне изобретения.
Использованная литература
1. Daniel, R. Degradation of algal (Ascophyllum nodosum) fucoidan by enzymatic activity contained in digestive glands of the marine mollusc Pecten maximus / R. Daniel, O. Berteau, J. Jozefbnvicz, N. Goasdoue. - DOI: 10.1016/S0008-6215(99)00223-2 // Carbohydrate research. - 1999. - Vol. 322, iss. 3-4. - P. 291-297.