СПОСОБЫ И КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ВЕСА И ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ УРОВНЯ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ
METHODS AND COMPOSITIONS FOR WEIGHT MANAGEMENT AND BLOOD GLUCOSE IMPROVEMENT

ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка на изобретение испрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой США, регистрационный номер 61/115,759, поданной 18 ноября 2008, предварительной заявкой США, регистрационный номер 61/151,745, поданной 11 февраля 2009, и предварительной заявкой США, регистрационный номер 61/167,291, поданной 7 апреля 2009. Полное описание вышеуказанных заявок включено в настоящую заявку посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области предупреждения и лечения ожирения, регулирования веса и диабета, а также общего хорошего состояния здоровья, включая состояние пищеварительного тракта и сердца.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Несмотря на усилия органов здравоохранения и наличие существующих препаратов против ожирения, проблема контроля эпидемии ожирения остается нерешенной. Это нарушение во все большей степени распространяется в индустриализованных странах вследствие обилия пищи и уменьшения уровня активности, которые сопутствуют перемещению населения из сельских районов в городские условия. Ожирение в самом широком смысле можно определить как содержание жира в теле в количестве большем, чем это необходимо для поддержания здоровья.
2
2
Ожирение - это состояние, при котором излишек жира в организме аккумулируется до такой степени, что может отрицательно влиять на здоровье (World Health Organization (2000). Technical report series 894: Obesity: Preventing and managing the global epidemic). Оно часто определяется как индекс массы тела (BMI = вес, деленный на высоту в квадрате) 30 кг/м или выше. Также проводится различие между ожирением и избыточным весом, который определяется как BMI между 25-29,9 кг/м (Obes Res. 1998 Sep; 6 Supp 12:51S-209S. - Clinical Guidelines on the Identification, Evaluation, and Treatment of Overweight and Obesity in Adults - The Evidence Report. National Institutes of Health).
Избыточный вес тела связан с различными заболеваниями, в частности, с сердечно-сосудистыми заболеваниями, сахарным диабетом 2 типа, обструктивным ночным апноэ, некоторыми типами рака и остеоартритом (National Heart, Lung, and Blood Institute. Clinical Guidelines on the Identification, Evaluation, and Treatment of Overweight and Obesity in Adults NIH Publication No. 98-4083 September 1998 National Institutes of Health). В результате было обнаружено, что ожирение уменьшает продолжительность жизни. Первичное лечение ожирения основано на диете и физических упражнениях. Если диета и физические упражнения не помогают, то в тяжелых случаях могут быть рекомендованы лекарственные препараты против ожирения и бариатрические хирургические операции (National Institute for Health and Clinical Excellence. Clinical Guideline 43: Obesity: The prevention, identification, assessment and management of overweight and obesity in adults and children. London, 2006).
Патогенез ожирения является многофакторным и включает в себя контроль пищевого поведения, механизмы накопления жира, компоненты потребления и расхода энергии, генетические и психологические воздействия. Аналогично, лечение ожирения в целом многофакторное. К сожалению, механизмы накопления жира и влияние генетических факторов, если говорить в целом, не поддаются воздействию. Кроме того, для контроля пищевого поведения и психологических факторов требуется длительный курс лечения. Хотя такие факторы, как потребление и расход энергии, поддаются лечению, многие люди с ожирением устойчивы к расходу энергии или неспособны к участию в действиях, значительно увеличивающих расход энергии. Поэтому, эффективным подходом для лечения ожирения является контроль за потреблением энергии.
Включение в питание низкокалорийных пищевых продуктов, имеющих значительный объем, приводит к уменьшению общего потребления калорий в отдельном приеме пищи (Bell et al. Am J Clin Nutr, 67:412-20, 1998; Rolls et al. Am J Clin Nutr, 70:448-455, 1999). Успех, достигнутый в уменьшении потребления калорий за один прием пищи, позволил разработать методику, рассчитанную на более длительный период путем включения в диету пищевых продуктов с низким содержанием калорий, чтобы увеличить долговременное снижение веса (Ello-Martin et al. Am J Clin Nutr, 85:1465-7,2007; Greene et al. 25 Obesity, 14:1795-1801, 2006). Концепцию потребления низкокалорийных пищевых продуктов, чтобы вызвать насыщение за счет заполнения объема желудка, иногда называют «волюметрической диетой» и для желающих следовать этому способу были написаны нетехнические книги (смотри Barbara Rolls, "Volumetrics Eating Plan" Harper Collins, 2007). Волюметрическая диета имеет ограниченный выбор пищевых продуктов, что приводит к плохому соблюдению диеты.
Ощущение насыщения, как средство подавления аппетита, известно в медицине и связано с лечением тучности и с воздействием на снижение веса. Например, патент США No 5336486 Acharya et al. описывает ложное ощущение насыщения, вызванное заполнением желудка тяжело перевариваемыми растительными волокнами. Потребление больших количеств волокна, однако, требует, чтобы пациент удалял из организма большие количества волокна, которые могут вызывать желудочно-кишечный дискомфорт. Другие пациенты неспособны переносить такие большие объемы волокна по другим причинам, таким как скопление газов в результате переваривания волокна бактериями в толстой кишке. Чтобы уменьшить дискомфорт, вызванный наполненным желудком, удерживающим растительные волокна на относительно более долгий срок, рецепты диеты, основанные на растительных волокнах, были усовершенствованы добавлением легко перевариваемых продуктов с низким количеством калорий. Патенты США No 5063073, выданный Kratochvil; 5654028, выданный Christensen et al.; и 6426077, выданный Grace et al., патенты США No 5405616 и 6103269, выданные Wounderlich et al., описывают материал, состоящий из желатина или гидролизата коллагена, одного или более активных агентов и одного или более наполнителей (то есть пластификаторов, одорантов, и т.д.). Низкокалорийные продукты для контролирования веса тела могут быть получены с использованием коллагеновых биополимеров, таких как растворимый коллаген, желатин или гидролизат коллагена. (Смотри патенты США No 5100688; 5211976; 5219599; 5665234; и 5665419). Коммерческие продукты, такие как «Dietary Supplement - CALORAD», производимые компанией «EYI-Essentially Yours Industries, Inc.» США, были использованы для контроля снижения веса и как мышечные стимуляторы, а также при остеопорозе и для лечения артрита.
Повышенная упругость (G′) пищевых продуктов была связана с повышенным насыщением и поэтому может быть использована для регулирования веса [I.T.Norton, W.J.Frith and S.Ablett; Fluid gels, mixed fluid gels and satiety; Food Hydrocolloids; Volume 20, Issues 2-3, March-May 2006, Pages 229-239]. Это и другие исследования продемонстрировали, что пищевые продукты, характризующиеся более высокой упругостью, создавали более высокие уровни насыщения. Подобным образом вязкость также была связана с насыщением; насыщение и сытость были выше для пищи с высокой вязкостью по сравнению с пищей с низкой вязкостью. [Marciani, L., Gowland, P.A., Spiller, R.С., Manoj, P., Moore, R.J. Young, P., & Fillery-Travis, A.J. (2001) Effect of meal viscosity and nutrients on satiety, intragastric dilution, and emptying assessed by MRI. American Journal of Physiology Gastrointestinology and Liver Physiology, 280: G 1227-G 1233]. Кроме того, повышенная вязкость коррелировала с кратковременным гормональным ответом кишечника, что предполагает важность структуры пищи в модуляции физиологии, связанной с насыщением, возникающим после приема пищи [Juvonen, К.R. et al. Viscosity of Oat Bran-Enriched Beverages Influences Gastrointestinal Hormonal Responses in Healthy Humans; Journal of Nutrition, Vol.139, No. 3,46 1-466, 2009]. Кроме того, насыщение было связано со скоростью опустошения желудка, при этом более высокая вязкость была связана с более медленными временами опустошения и с повышенным насыщением [Hlebowicz, J. et al. Effect of commercial breakfast fiber cereals compared with corn flakes onostprandial blood glucose, gastric emptying and satiety in healthy subjects: a randomized blinded crossover trial; Nutrition Journal 2007, 6:22].
Уровень ожирения неуклонно поднимался за прошедшие несколько лет. Необходимость переносить на себе излишний вес увеличивает шансы развития серьезных проблем со здоровьем, таких как болезни сердца, внезапный приступ, некоторые виды рака, а также диабета. Процент диабета 2 типа в США повышается одновременно с увеличением ожирения. По оценке Американской Ассоциации Диабета приблизительно 21 миллион человек страдает от диабета, еще 54 миллионам человек поставлен диагноз пред-диабет. Пред-диабет - это состояние, при котором уровни глюкозы крови, взятой натощак, повышены, но еще не достигают уровня, указанного для диабета 2 типа.
Диабет 2 типа связан с резистентностью к инсулину. Инсулин - это важный гормон, который доставляет глюкозу (сахар) в клетки человека. Когда у человека излишек веса, клетки в теле становятся менее чувствительными к инсулину, который высвобождается поджелудочной железой. Имеются некоторые доказательства, что жировые клетки являются более резистентными к инсулину, чем мышечные клетки. Если у человека жировых клеток больше, чем мышечных клеток, то инсулин в целом становится менее эффективным, и глюкоза продолжает циркулировать в крови вместо того, чтобы захватываться клетками для использования в качестве источника энергии.
Гликемический контроль - это медицинский термин, относящийся к типичным уровням сахара (глюкозы) в крови у человека с сахарным диабетом. Имеется много доказательств, указывающих на то, что многие из долгосрочных осложнений диабета, особенно капиллярные осложнения, возникают из-за многолетней гипергликемии (повышенных уровней глюкозы в крови). Хороший гликемический контроль, в смысле "мишени" для лечения, становится важной задачей при лечении диабета, хотя недавнее исследование показывает, что диабетические осложнения могут быть вызваны генетическими факторами [Tarnow, L; Groop; Hadjadj; Kazeem; Cambien; Marre; Forsblom; Parving et al. (2008). "European rational approach for the genetics of diabetic complications - EURAGEDIC:patient populations and strategy". Nephrology, dialysis, transplantation 23 (1):161-8] или, при диабете 1 типа, продолжающимися эффектами аутоиммунного заболевания, которое, прежде всего, вызывает потерю способности поджелудочной железы продуцировать инсулин. [Adams, D.D. (2008). "Autoimmune destruction of pericytes as the cause of diabetic retinopathy". Clinical ophthalmology 2 (2):295-8].
«Точный гликемический контроль» означал бы, что уровни глюкозы должны быть всегда нормальными (70-130 мг/дл, или 3,9-7,2 ммоль/л) и не отличаться от показателей у человека без диабета. В действительности, из-за несовершенства средств лечения даже к «хорошему гликемическому контролю» относят уровни глюкозы в крови, которые большую часть времени несколько выше нормального уровня. Кроме того, в одном обследовании больных диабетом 2 типа было установлено, что оцененный ущерб для их качества жизни от интенсивных вмешательств в контроль уровня сахара в крови такой же серьезный, как ущерб, возникающий из промежуточных уровней диабетических осложнений. [Huang, ES; Brown; Ewigman; Foley; Meltzer (2007). "Patient perceptions of quality of life with diabetes-related complications and treatments". Diabetes care 30 (10): 2478-83].
Было предпринято несколько попыток контролировать абсорбцию углеводов в особенности после приема пищи. Появляющиеся в печати данные указывают, что модуляция уровней глюкозы в плазме после приема пищи играет важную роль в полном гликемическом контроле. В начале развития диабета 2 типа нарушается начальный импульс высвобождения инсулина в ответ на прием пищи, позволяя развиваться гипергликемии после приема пищи. Далее связанная с пищей гипергликемия вносит вклад в увеличение резистентности к инсулину и в уменьшение выработки инсулина. Доказательство сильной корреляции между высокими гликемическими уровнями после приема пищи и развитием сосудистых осложнений подчеркивает важность лечения гликемии во время приема пищи.
Один из способов измерения скорости абсорбции углеводов основан на использовании шкалы гликемического индекса [http://www.glycemicindex.com/]. Heaton et al. сообщали, что гликемический индекс можно контролировать путем использования частиц пшеницы, кукурузы и овса различных размеров (например, Heaton К W, Marcus S N, Emmett P M, Bolton С H: Particle size of wheat, maize, and oat test meals: effects on plasma glucose and insulin responses and on the rate of starch digestion in vitro. Am. J. Clin. Nutr., Vol.47, 675-682 (1988)). Кроме того, известно что гликемический индекс пищи зависит от формы, в которой она представлена. Например, гликемический индекс вареного риса ниже гликемического индекса порошкообразного риса; гликемический индекс целого яблока ниже гликемического индекса яблочного пюре (смотри, например, Kunihiro Doi and Keisuke Tsuji Eds., Shokumotsu Sen-i (Dietary Fiber), p.412-420 (Asakura-shoten, Tokyo, 1997)). Кроме того, известны способы, в которых используют полисахариды, способные к формированию геля, такие как гуаровая смола, пектин, или глюкоманнан. Такие способы позволяют достигать снижения уровней глюкозы после приема пищи и улучшения гликемического контроля. Использование определенных полисахаридов в пищевых продуктах продлевает время пребывания глюкозы внутри желудка благодаря формированию геля (см., например, "Kagaku to Seibutsu (Chemistry and Biology)," Vol.18, p. 95-105, 1980).
Патент США No 7601705 и ссылки в нем описывают контролируемую систему индуцирования вязкости с использованием волокондля притупления гликемического ответа после приема пищи, которая включает источник нейтрального растворимого волокна, такого как гуаровая смола, пектин, смола плодов рожкового дерева, метилцеллюлоза и частично гидролизованный крахмал. Изобретение также описывает способы введения растворимого волокна в жидкий продукт, не сопровождающиеся типичными нежелательными явлениями, связанными с органолептическими факторами или физической стабильностью. Изобретение также относится к способу стимулирования ощущения заполненности и насыщения за счет питания с применением системы индуцирования вязкости с использованием волокон.
Патент США No 5,776,887 описывает пищевой продукт с контролируемой абсорбцией углеводов. Продукт, описанный в патенте США No 5,776,887, содержит белок, жиры, углеводы, волокно и дисахариды. Патент США No 5,695,803 описывает пищевые продукты, содержащие обработанные кислотой крахмалы, для улучшения инсулинового ответа на пищевые продукты.
В литературе широко известны абсорбирующие материалы для воды и водных сред, включая жидкости, выделяемые человеческим телом. Эти материалы обычно представляют собой материалы на основе полимера и производятся в виде порошков, гранул, микрочастиц, волокон или пленок. После контакта с водной средой эти пригодные в пищу полимерные гидрогели набухают, поглощая жидкую фазу в свою структуру без растворения. Когда набухание достигает равновесия, образуется гель, обычно называемый «гидрогелем». Гидрогели, способные абсорбировать излишнее количество воды до 95% своего общего веса, определяются как «сверхабсорбенты» (SAP).
Chen Jun et al. в "Gastric retention properties of superporous hydrogel composite" J. Controlled Release, 64, 39-51, 2000, и в патенте США No 6018033 и Park К. et al., в патенте США No 5750585 и патенте США No 6271278 раскрывают, что гидрогели, полученные с помощью привитой сополимеризации и поперечной сшивки смеси акриловой кислоты, акриламида, калиевой соли 3-сульфопропил акрилата и N,N′-метиленбисакриламида в присутствии AcDi-Sol (поперечно сшитый полисахарид с небольшой молекулярной массой), набухают в желудке после перорального введения и могут использоваться как вспомогательное средство в контроле веса в ходе диеты. Burnett D.R. et al. в WO 2004/056343 A1 раскрывают проглатываемую композицию для временного, неинвазивного уменьшения объема желудка, содержащую полимерные композиции, способные удерживаться в желудке на некоторый период времени, с последующим быстрым разложением после попадания в тонкий кишечник. Концепция использования полимеров для заполнения объема желудка, чтобы вызвать насыщение, также раскрыта другими авторами (смотри, например, опубликованные патентные заявки США No 20050245957 и 20060142794; и опубликованные заявки РСТ No WO 2006/047882 и WO 2006/070337).
Другие небиоразлагаемые полимеры могут набухать в желудке и действовать как заполнители желудка. Однако из-за того, что эти полимеры неразлагаемые, они увеличивают риск закупорки, определенной как присутствие подобных замазке или твердых фекалий в прямой кишке или в сигмовидной ободочной кишке (синдром умеренной токсемии, отсутствие фекальных движений и напряжение). В определенных случаях, полимеры могут действовать как слабительные средства - другой нежелательный эффект. Слабительные средства (или очистительные средства) - это пищевые продукты, вещества или лекарственные средства, принимаемые для вызывания дефекации или ослабления стула, и чаще всего принимаются для лечения запоров. Некоторые типы слабительных средств - это наполнители, которые вызывают образование большого объема стула и удерживают больше воды. Дополнительно, эти слабительные средства могут вызывать образование смягчающего геля, облегчая перистальтическое действие для продвижения стула по желудочно-кишечному тракту. Эти наполнители содержат диетические волокна и синтетические гидрогели, такие как полиакриловые кислоты, включая поликарбофил кальция (такие как Noveon АА-1 СA-1 или СА-2, Lubrizol, ОН). Некоторые продукты, содержащие этот тип полимеров: Equalactin™, FiberCon™, Fiber-Lax™, FiberNorm™, Konsyl™, Mitrolan™; все они рекомендованы в дозе примерно 1-1,5 г за один прием. Другие продукты содержат сходные перазлагаемые полимеры, такие как поперечно-сшитые гомополимсры гидрогеля полиакриловой кислоты (такие как Carbopol 971P, 71G, 974Р, Lubrizol, ОН).
Как натуральные неперевариваемые волокна, так и синтетические гидрогели абсорбируют воду и действуют как заполнители желудка из-за эффекта увеличения объема, и, кроме того, они не разлагаются в желудочно-кишечном тракте.
Введение и надувание баллонов в тонком кишечнике крыс приводило к уменьшению потребления жидкости, но также оказалось, вызывало болезненную реакцию, когда баллоны надували сильнее некоторого объема (Bardos, Behav Neurosci., 11 1:834-844, 1997). Таким же образом введение баллона в тонкий кишечник отрицательно воспринималось крысами, как показано в парадигме отвращения вкуса (Bardos, Bardos, Physiol Behav., 74:407-413, 2001). Использование баллона у людей было бы сильно инвазивным и трудным для введения и поддерживания. Кроме того, вставленный баллон приводил бы к постоянной стимуляции тонкого кишечника, вызывая привыкание и адаптацию, а также боль, которая не возникает при эпизодической стимуляции, естественно вызываемой пищей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению предложены композиции, пищевые продукты и способы усиления насыщения, уменьшения количества потребляемой пищи и улучшения гликемического контроля.
В одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает пригодный в пищу полимерный гидрогель, который набухает в желудке и тонком кишечнике, чтобы обеспечить или увеличить насыщение с помощью механических стимулов и/или повышенной вязкости.
В одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает пригодную в пищу композицию полимерного гидрогеля, которая набухает в тонком кишечнике, но не в желудке.
В одном варианте реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в желудке, сжимается и входит в тонкий кишечник, набухает в тонком кишечнике и расщепляется в толстой кишке.
В одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способы стимулирования снижения веса, поддержания веса, увеличения или обеспечения гликемического контроля у людей, включающие стадию перорального введения пациенту до еды или после нее пригодного в пищу полимерного гидрогеля, который набухает в желудке и/или тонком кишечнике. Пригодный в пищу полимерный гидрогель предпочтительно вводится в количестве, достаточном, чтобы замедлить опустошение желудка и абсорбцию углеводов и жиров в тонком кишечнике.
В одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает модифицированные пищевые продукты и продукты питания, которые содержат пригодный в пищу полимерный гидрогель и имеют пониженную калорийность по сравнению с обычными или немодифицированными пищевыми продуктами.
В одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает пищу, содержащую пригодный в пищу полимерный гидрогель, в которой пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в самой пище. В этом варианте реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель добавлен как ингредиент во время приготовления пищи в набухшем состоянии или он добавляется в обезвоженном состоянии и затем набухает во время приготовления пищи. В другом варианте реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель образуется во время приготовления пиши. В этом варианте реализации настоящего изобретения полимер(ы) и компоненты поперечно-сшивающих агентов пригодного в пищу полимерного гидрогеля добавляются к одному или более компонентам пищи во время приготовления пищи, что в результате приводит к образованию пригодного в пищу полимерного гидрогеля.
В одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает пищу, содержащую пригодный в пищу полимерный гидрогель в обезвоженном состоянии. В этом варианте реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в желудке и/или в тонком кишечнике после проглатывания.
В одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способ приготовления пищи или пищевых продуктов, содержащих пригодный в пищу полимерный гидрогель, включая контактирующий полимер с поперечно-сшивающим агентом в присутствии одного или более дополнительных компонентов, таким образом формируя пищу или пищевые продукты, содержащие пригодный в пищу полимерный гидрогель.
В другом варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает пригодный в пищу полимерный гидрогель, покрытый гидроизолирующим слоем. Гидроизолирующий слой может содержать, например, белки, жиры, сахар или их комбинацию. Предпочтительно, чтобы пригодный в пищу полимерный гидрогель находился в форме частиц и частицы были покрыты гидроизолирующим слоем.
В одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает композицию пригодного в пищу полимерного гидрогеля, покрытого энтеросолюбильным слоем. Пригодный в пищу полимерный гидрогель предпочтительно присутствует в композиции в обезвоженном состоянии, а энтеросолюбильного покрытия достаточно, чтобы ингибировать набухание пригодного в пищу полимерного гидрогеля в желудке. Расщепление энтеросолюбильного покрытия в тонком кишечнике приводит к набуханию пригодного в пищу полимерного гидрогеля в тонком кишечнике.
В еще одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает пищу или напиток, содержащий анионный пригодный в пищу полимерный гидрогель и агент, уменьшающий рН. Агент, уменьшающий рН, предпочтительно должен способствовать уменьшению рН пищи или напитка до значения рН, при котором ингибируется или задерживается набухание пригодного в пищу полимерного гидрогеля.
В одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает напиток, содержащий пригодный в пищу полимерный гидрогель и пузырьки газа или один или более агентов, которые вызывают выделение пузырьков газа. Выделение пузырьков газа предпочтительно должно способствовать ингибированию или задержке набухания пригодного в пищу полимерного гидрогеля.
В одном варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает пригодный в пищу полимерный гидрогель в форме, которая может использоваться в кулинарии.
Краткое описание фигур
На фигуре 1 представлено схематическое изображение напитка, способного к обеспечению долговременной доставки воды и минеральных веществ в тонкий кишечник для длительной гидратации.
На фигуре 2 представлено схематическое изображение напитка согласно настоящему изобретению, иллюстрирующее разрушение контейнера под крышкой, с высвобождением пригодного в пищу полимерного гидрогеля в жидкость, где он начинает набухать.
На фигуре 3 представлено схематическое изображение напитка согласно настоящему изобретению, содержащего частицы ксерогеля с покрытием.
На фигуре 4 представлена диаграмма, на которой сравниваются значения вязкости карбоксиметилцеллюлозы, поперечно-сшитой лимонной кислотой, с вязкостями некоторых пищевых волокон.
На фигуре 5 представлен график, сравнивающий вязкость карбоксиметилцеллюлозы, поперечно-сшитой лимонной кислотой, с вязкостями гуаровой смолы и подорожника.
На фигуре 6 представлена диаграмма, на которой сравниваются характеристики упругости карбоксиметилцеллюлозы, поперечно-сшитой лимонной кислотой, и некоторых пищевых волокон.
На фигуре 7 представлены результаты исследования карбоксиметилцеллюлозы, поперечно-сшитой лимонной кислотой, на крысах.
На фигуре 8 представлен график, иллюстрирующий влияние карбоксиметилцеллюлозы, поперечно-сшитой лимонной кислотой, на потребление пищи у крыс.
На фигуре 9 представлен график, показывающий набухание и сжатие пригодного в пищу полимерного гидрогеля по мере его прохождения по желудочно-кишечному тракту.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способам увеличения насыщения и уменьшения потребления калорий для регулирования веса и формы и профилактики или лечения избыточного веса или ожирения. В некоторых вариантах реализации настоящее изобретение также относится к способам улучшения гликемического контроля для снижения риска развития резистентности к инсулину и диабета. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает пищевые продукты и продукты питания, которые могут использоваться в способах согласно настоящему изобретению.
Один аспект настоящего изобретения относится к способам увеличения времени опустошения желудка, увеличения вязкости и характеристик упругости содержимого желудка и/или тонкого кишечника.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к способам применения пригодного в пищу полимерного гидрогеля для приготовления пищевых продуктов или напитков. Настоящее изобретение также относится к пищевым продуктам и напиткам, приготовленным с применением таких способов.
Один аспект настоящего изобретения относится к способам лечения избыточного веса, лечения ожирения или регулирования веса пациента. В другом варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способ улучшения гликемического контроля у пациента. Эти способы содержат этап перорального введения пациенту эффективного количества пригодного в пищу полимерного гидрогеля, набухающего в желудке пациента и/или в тонком кишечнике, увеличивая объем пищевого комка в желудке пациента и/или в тонком кишечнике без увеличения содержания энергии пищевого комка. Гидрогель предпочтительно вводится до еды или вместе с едой. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения пациентом являются приматы, быки, овцы, кони, свиньи, птицы, грызуны, кошки или собаки. В предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения пациентом является человек.
Термин "пищевой комок", используемый здесь, относится к массе пережеванной и/или частично переваренной пищи, которая присутствует в одной области пищеварительного тракта, например, во рту, желудке, тонком кишечнике или толстой кишке после проглатывания пищи.
Проходящий лечение пациент с BMI меньше чем 25 может нуждаться в регулировании веса и/или формы. Проходящий лечение пациент может нуждаться в снижении веса или регулировании веса. Указанный пациент может быть с избыточным весом, с BMI, равным от 25 до 30, или тучным, с BMI больше чем 30. Указанный пациент может также иметь нормальный вес, с BMI меньше чем 25, но с риском увеличения веса. Пациент также может нуждаться в гликемическом контроле. Такой пациент может быть с избыточным весом, тучным или нормального веса или с меньшим весом (BMI меньше чем 25). У пациента может быть диабетическое или преддиабетическое состояние. Пациент также может быть подвержен риску развития диабета, особенно диабета 2 типа. Например, пациент может страдать резистентностью к инсулину или метаболическим синдромом. Способ может использоваться для профилактики, ингибирования или задержки развития резистентности к инсулину, метаболического синдрома или диабета.
В другом варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способы снижения холестерина и уменьшения риска рака толстой кишки у пациента. Эти способы включают в себя этап перорального введения нуждающемуся в этом пациенту эффективного количества пригодного в пищу полимерного гидрогеля, содержащего поперечно-сшитый целлюлозный полимер. После перорального введения пригодный в пищу полимерный гидрогель проходит из желудка пациента через тонкий кишечник в толстую кишку, где он ферментируется с образованием жирных кислот с короткими цепочками, которые, как было показано, уменьшают риск рака толстой кишки за счет уменьшения значения рН в толстой кишке и приводят к уменьшению уровней холестерина в сыворотке (Samelson SL, et al., J R Soc Med 1985; 78:230-233). Пациент может быть подвержен риску рака толстой кишки или болезни сердца. Например, пациент может иметь семейный анамнез рака толстой кишки, или экологическое воздействие, или ген, который увеличивает риск рака толстой кишки.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель используется в способах согласно настоящему изобретения для набухания в желудке после введения. В присутствии проглоченной пищи пригодный в пищу полимерный гидрогель после поглощения воды или желудочной жидкости и/или после смешивания с пищей в желудке вызовет увеличение объема пищевого комка без существенного увеличения содержания энергии в пищевом комке. В таких вариантах реализации настоящего изобретения увеличенный размер пищевого комка приведет к насыщению и к уменьшению потребления калорий. В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель остается набухшим в желудке в течение некоторого периода времени, затем он сжимается, расщепляется и/или сплющивается. В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в желудке и таким образом замедляет опустошение желудка, чтобы увеличить эффект насыщения пищей с ограниченным количеством калорий.
В некоторых вариантах реализации изобретения после введения пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в тонком кишечнике, но не в желудке. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель полимера набухает в тонком кишечнике. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в тонком кишечнике и таким образом увеличивает объем и/или оказывает давление на стенки тонкого кишечника. В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель замещает объем жидкости в тонком кишечнике, приводя к улучшенному гликемическому контролю, насыщению и уменьшенному потреблению калорий. В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель оказывает давление на стенки тонкого кишечника, приводя к насыщению и уменьшенному потреблению калорий. В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель остается набухшим в тонком кишечнике в течение некоторого периода времени, после которого он сжимаемся, расщепляется и/или сплющивается. Предпочтительно чтобы пригодный в пищу полимерный гидрогель разщеплялся, по крайней мере, частично в толстой кишке.
В некоторых вариантах реализации изобретения способ включает в себя введение пациенту композиции, содержащей пригодный в пищу полимерный гидрогель, который набухает в желудке, сжимается после первого периода времени, проходит в тонкий кишечник, снова набухает в тонком кишечнике и сжимается в тонком кишечнике после второго периода времени. В другом варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в желудке и затем проходит в тонкий кишечник, где он сплющивается, сжимается и/или по крайней мере частично разлагается. В еще одном варианте реализации изобретения, пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в желудке, проходит через тонкий кишечник и не сжимается ни в желудке, ни в тонком кишечнике. Предпочтительно чтобы пригодный в пищу полимерный гидрогель разлагался, по крайней мере частично, в толстой кишке, достаточно предпочтительно чтобы он высвобождал большую часть абсорбированной жидкости.
В некоторых вариантах реализации способ изобретения включает в себя введение пациенту композиции, содержащей пригодный в пищу полимерный гидрогель, который набухает в желудке, сжимается после первого периода времени, проходит в тонкий кишечник, снова набухает в тонком кишечнике, проходит в толстую кишку и затем сжимается, сплющивается и/или разлагается. В варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель будет набухать в желудке и затем проходить в тонкий кишечник, и затем в толстую кишку, где он сплющивается, сжимается и/или по крайней мере частично расщепляется. В еще одном варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в желудке, проходит через тонкий кишечник и не сжимается ни в желудке, ни в тонком кишечнике, но расщепляется, сжимается и/или сплющивается в толстой кишке.
-1
В предпочтительных вариантах реализации изобретения, пригодный в пищу полимерный гидрогель - это гидрогель, который при набухании имеет модуль упругости по крайней мере примерно 100 Па и вязкость по крайней мере 20 s в желудочно-кишечной среде, например, в воде, SGF/вода 1:8 или SIF.
Данные по использованию желудочных баллонов, занимающих объем желудка, процедура, которая является обычной практикой для снижения веса в некоторых частях мира, показывают, что для эффективности необходимо по крайней мере 200 мл объема, но предпочтительно более 400 мл. Исследования на животных продемонстрировали что количество уменьшения приема пищи, вызванное набухшим гидрогелем в желудке, прямо коррелируется с количеством введенного вещества. На основании данных in vivo также было продемонстрировано, что количество уменьшения приема пищи также зависит от количества набухшего пригодного в пищу полимерного гидрогеля в тонком кишечнике, который также является "управляемым объемом."
Исследования продемонстрировали прямую корреляцию между вязкостью желудочно-кишечного содержимого и насыщением. Вещество предпочтительно должно иметь реологические свойства, сходные с реологическими свойствами переваренной пищи, и разлагаться перед удалением, для того чтобы достичь эффективности, но минимизировать неблагоприятные явления. Это требование для разлагаемого полимера является важным, поскольку неразлагаемый полимер в количестве, необходимом для стимулирования насыщения (предпочтительно по крайней мере 200 мл при разбухании), будет вызывать неблагоприятные и/или нежелательные побочные эффекты, такие как диарея, обезвоживание и запор. Поэтому, наличие материалов, которые расщепляются в желудочно-кишечном тракте, важно для безопасности и соответствия. Пригодный в пищу полимерный гидрогель должен быть предпочтительно по крайней мере частично расщеплен в толстой кишке, а не в желудке или в тонком кишечнике.
Соответственно, в дополнительном варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель увеличивает свой объем в желудке или в тонком кишечнике. Например, пригодный в пищу полимерный гидрогель вызывает насыщение после абсорбции воды и/или физиологических жидкостей в желудке и набухает до объема по крайней мере 50, 100, 200, 300, 400, 600 и 800 мл, в то время как в других вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает примерно до 400 мл. Количество введенного пригодного в пищу полимерного гидрогеля зависит от необходимого объема набухания и от степени набухания пригодного в пищу полимерного гидрогеля в желудке, то есть, в присутствии желудочной жидкости. Например, чтобы достичь объема 400 мл набухшего пригодного в пищу полимерного гидрогеля, достаточно 4 граммов пригодного в пищу полимерного гидрогеля, который в 100 раз увеличивается в желудке. Предпочтительно чтобы введенный пригодный в пищу полимерный гидрогель набухал по крайней мере примерно в 20-, 40-, 60-, 80-, 100-, 120-, 140-раз или более в SGF/вода 1:8.
Необходимо понимать, что если не указано иное, то перечисленные свойства пригодного в пищу полимерного гидрогеля, такие как коэффициенты набухания, модуль упругости и вязкость, относятся к съедобному полимерному гидрогелю в неразбавленной или очищенной форме, то есть, до добавления к материалам пищи или покрытия.
-1
-1
Количество введенного пригодного в пищу полимерного гидрогеля зависит от нужной вязкости и от степени, в которой пригодный в пищу полимерный гидрогель загустевает в желудке и тонком кишечнике, то есть, в присутствии желудочной или кишечной жидкости. Например, чтобы достичь вязкости пищевого комка выше 10 сек и предпочтительно выше 50 сек, потребление полимерного материала должно составлять по крайней мере 0,5 масс.% всей потребляемой пищи и жидкости. Предпочтительно, чтобы введенный пригодный в пищу полимерный гидрогель двукратно увеличивал вязкость пищевого комка в присутствии желудочных и кишечных жидкостей. Предпочтительно, чтобы пригодный в пищу полимерный гидрогель увеличивал вязкость пищевого комка в тонком кишечнике в достаточной степени, чтобы значительно задерживать абсорбцию питательных веществ.
Предпочтительно чтобы при проглатывании пригодный в пищу полимерный гидрогель поддерживал реологию (например, модуль упругости), сходную с реологией пережеванной или частично переваренной пищи для увеличения насыщения, измеряемого известными способами, например визуальной аналоговой шкалой или уменьшением потребления пищи, например, по крайней мере на 10%.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения композиция пригодного в пищу полимерного гидрогеля уменьшает пиковую концентрацию в кровотоке поглощенных углеводов и жиров и продлевает их время абсорбции в кровоток.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения композиция содержит пригодный в пищу полимерный гидрогель, который набухает только в тонком кишечнике (то есть, он не будет набухать ни в каких других частях желудочно-кишечного (GI) тракта). В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель изготовлен так, что он становится биологически доступным только при рН среды тонкого кишечника (то есть при рН равном примерно 6). Например, пригодный в пищу полимерный гидрогель может быть покрыт энтеросолюбильным материалом, который остается интактным при рН желудка, но расщепляется или распадается при более высоком рН тонкого кишечника. Пригодный в пищу полимерный гидрогель может также быть покрыт материалом, который расщепляется энзиматически ферментами, находящимися в тонком кишечнике, но не в желудке.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения композиция содержит пригодный в пищу полимерный гидрогель, который набухает в тонком кишечнике, что приводит к замедлению опустошения желудка и продлению насыщения. Например, время опустошения желудка может увеличиваться от 20% до 100% или более в присутствии пригодного в пищу полимерного гидрогеля по сравнению с отсутствием гидрогеля.
В одном варианте реализации настоящее изобретение относится к способам лечения ожирения, вызывающим снижение веса, и/или предотвращение увеличения веса за счет замещения объема жидкости и/или создание давления на стенки тонкого кишечника у пациента неинвазивным способом, предпочтительно не создавая существенной боли или необоснованного дискомфорта у пациента. Способы включают стадию введения пациенту пригодного в пищу полимерного гидрогеля, который набухает в тонком кишечнике и увеличивает вязкость содержимого кишечника. Например, пригодный в пищу полимерный гидрогель может увеличивать соотношение полутвердых частиц к жидкостям в содержимом кишечника. В этом варианте реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель замещает объем жидкости и/или вызывает давление на стенки тонкого кишечника, что вызвает чувство насыщения либо прямым образом, либо увеличивая время опустошения желудка.
В одном варианте реализации способы согласно настоящему изобретению включают введение пациенту композиции, которая вызывает торможение подвздошной кишки (Maljaars PW, Peters HP, Mela DJ, Masclee AA., Ileal brake: a sensible food target for appetite control, Phvsiol Behav. 2008 Oct 20; 95 (3):271-81), таким образом высвобождая гормоны и нейротрансмиттеры, которые вызывают насыщение. Такие гормоны и нейротрансмиттеры могут включать в себя холецистокинины (ХЦК), лептин, обестатин, несфатин-1 и другие нейронные сигналы, которые могут вызывать насыщение.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель создает давление на стенки тонкого кишечника, увеличивает объем содержимого тонкого кишечника или реализует оба варианта. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель уменьшает контакт между выстилкой тонкого кишечника и частицами пищи за счет разбавления пищи внутри пищевого комка и таким образом замедляя поступление питательных веществ в кровоток.
В предпочтительном варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в желудке после проглатывания, проходит в тонкий кишечник и перемещается в толстую кишку, где он расщепляется. Предпочтительно чтобы при расщеплении пригодного в пищу полимерного гидрогеля в толстой кишке высвобождалось значительное количество его водного содержимого, например, по крайней мере около 70, 80, 90 или 95% водного содержимого гидрогеля, таким образом поддерживая баланс жидкости у пациента.
В более предпочтительном варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель содержит поперечно-сшитый анионный полимер, который по существу не является абсорбентом при рН желудочной жидкости. Прием пищи вызывает быстрое увеличение рН желудка, вызывающее набухание пригодного в пищу полимерного гидрогеля в желудке. Когда пища переварена, рН в желудке падает, вызывая уменьшение объема пригодного в пищу полимерного гидрогеля до формы, которая может переместиться в тонкий кишечник. При рН тонкого кишечника пригодный в пищу полимерный гидрогель снова набухает, затем перемещается в толстую кишку, где он расщепляется, высвобождая примерно не менее 70, 80, 90 или 95% своего водного содержимого.
В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель имеет реологические свойства, в значительной степени сходные с реологическими свойствами пережеванной или частично переваренной пищи. В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель объединяется с существующим пищевым комком в желудке или тонком кишечнике пациента, чтобы увеличить объем. Предпочтительно пригодный в пищу полимерный гидрогель не имеет существенного энергетического содержимого.
Другой аспект данного изобретения относится к пригодным в пищу полимерным гидрогелям с реологическими свойствами, в значительной степени сходными с реологическими свойствами волокон. В некоторых вариантах реализации изобретения композиция объединяется с существующим пищевым комком в пациенте, чтобы замедлить опустошение желудка, задержать абсорбцию некоторых питательных веществ в тонком кишечнике и снизить уровень холестерина в сыворотке. Композиция может, например, снижать уровень холестерина в сыворотке, уменьшать риск хронических сердечно-сосудистых заболеваний (Jacobs DR, Jr., Meyer KA, Kushi LH, Folsom AR. Whole-grain intake may reduce the risk of ischemic heart disease death in postmenopausal women: the Iowa Women′s Health Study. Am J Clin Nutr. 1998; 68 (2):248-257; Rimm EB, Ascherio A, Giovannucci E, Spiegelman D, Stampfer MJ, Willett WC. Vegetable, fruit, and cereal fiber intake and risk of coronary heart disease among men. JAMA. 1996; 275 (6):447-451; Keenan JM, Pins JJ, Frazel C, Moran A, Turnquist L.). Потребление овсяного зерна уменьшает систолическое и диастолическое кровяное давление у пациентов с умеренной или пограничной гипертензией: предварительное испытание (J Fam Pract. 2002; 51 (4):369), колоректального рака (Trock В, Lanza E, Greenwald P. Dietary fiber, vegetables, and colon cancer: critical review and meta-analyses of the epidcmiologic evidence. J Natl Cancer Inst. 1990; 82 (8):650-661), уменьшает риск дивертикулеза (относительно частое состояние, которое характеризуется образованием небольших карманов (дивертикул) в толстой кишке) (Korzenik JR. Case closed? Diverticulitis: epidemiology and fiber. J Clin Gastroenterol. 2006; 40 Suppl 3:S 112-116).
В некоторых вариантах реализации композиция согласно настоящему изобретению ферментируются бактериями, которые обычно колонизируют толстую кишку, с образованием полезных жирных кислот с короткими цепочками (ацетат, пропионат и бутират) (Kumar, С.М. et al. Modulatory effect of butyric acid-a product of dietary fiber fermentation in experimentally induced diabetic rats, The Journal of Nutritional Biochemistry, Volume 13, Issue 9, Pages 522-527). Было показано, что такие жирные кислоты с короткими цепочками снижают уровень холестерина в сыворотке, вызывают насыщение и защищают от рака толстой кишки.
В вышеупомянутых способах пригодный в пищу полимерный гидрогель можно вводить, например, до приема пищи или закуски, или с едой. Пригодный в пищу полимерный гидрогель можно вводить, например, в течение одного или двух часов после еды, или одновременно с потреблением пищи. Пригодный в пищу полимерный гидрогель может вводиться в разных формах, например, в форме порошка, капсул, таблетик или пакетов-саше или как компонент пищи или напитка. В настоящей заявке описаны подходящие формы дозировки, а также модифицированные пищевые продукты и напитки.
Пищевые продукты и продукты питания
Настоящее изобретение относится к модифицированным пищевым продуктам и продуктам питания, включая пищевые продукты, приготовленные с модифицированными продуктами питания согласно настоящему изобретению, с уменьшенной калорийностью по сравнению с соответствующими обычными пищевыми продуктами и продуктами питания. Таким образом, при потреблении в том же объеме, что и соответствующие обычные пищевые продукты, модифицированные пищевые продукты согласно настоящему изобретению обеспечивают меньше калорий, вызывая степень насыщения, в значительной степени сходную с обычными пищевыми продуктами. Таким образом, при употреблении с данным количеством пищи объем модифицированной частично переваренной пищи в желудке и тонком кишечнике увеличится и приведет к увеличенному насыщению.
Термин «пища», используемый здесь, относится к пригодной в пищу, приятной по вкусу композиции, которую можно глотать и которая может быть в сыром или приготовленном виде. Пищевые продукты включают в себя горячие и холодные хлебные злаки, например овсяную муку и корнфлекс; питательные пищевые палочки, печеные продукты, макаронные изделия, сиропы, пюре, леденцы, напитки, коктейли, обработанные сорта мяса, корм для животных, молочные продукты, замороженные продукты, такие как мороженое, замороженный йогурт; замороженные сладости, включая ледяную шипучку; поленту, ризотто, хумус, кускус и так далее. Пищевые продукты могут быть предназначены для людей, домашних животных и/или для ветеринарного использования, хотя модифицированная пища для людей является предпочтительной.
Термин «пищевые продукты», используемый здесь, относится к материалу или композиции, который используется как компонент в приготовлении пищи. Примеры пищевых продуктов, которые могут быть модифицированы как описано здесь, включают в себя пищевые продукты, приготовленные из зерна, хлебных злаков, крахмалистых плодов и овощей. Подходящие примеры включают в себя муку, изготовленную из пшеницы, риса, зерновых, овса, картофеля, сорго обыкновенного, проса, ржи, тритикале и ячменя. Другая мука включает в себя муку из манной крупы, муку Атта, гречневую муку, муку из тапиоки, муку из неочищенного риса, муку из клейкого риса, муку из лапши, муку из макаронных изделий, каштановая муку, муку из различных орехов, муку из нута, муку из бобов, муку из гороха, муку из пшеницы спельта и муку из картофельного крахмала. Пищевые продукты, которые могут быть в дальнейшем модифицированы, включают в себя кукурузный крахмал, картофельное пюре быстрого приготовления, готовые смеси для печеных продуктов, включая хлебное тесто, смеси для кекса, блинную муку и так далее. Дополнительные пищевые продукты, которые могут быть модифицированы в соответствии с изобретением включают в себя препараты булгура, лебеды кино, пшеницы тритикале, пастернака, подорожника, картофеля, тыквы, тыквы крупноплодной, мускатной тыквы, тыквы обыкновенной, зеленого горошка, злакового зерна, ямса, таро, маниоки и плодов хлебного дерева. Предпочтительными пищевыми продуктами для использования в данном изобретении являются пищевые продукты на основе углеводов.
Термин «модифицированный», применяемый здесь по отношению к пище и продуктам питания, относится к пище или пищевым продуктам, которые содержат пригодный в пищу полимерный гидрогель как ингредиент или компонент. Модифицированная пища или пищевые продукты могут выдерживать сравнение с соответствующей «обычной» или немодифицированной пищей или пищевыми продуктами, то есть соответствующей пищей или пищевыми продуктам, которые не содержат пригодный в пищу полимерный гидрогель. Пригодный в пищу полимерный гидрогель имеет более низкую плотность энергии, чем обычная пища или пищевые продукты, и поэтому разбавляет содержание энергии модифицированной пищи или пищевых продуктов. Таким образом, модифицированные пищевые продукты и продукты питания согласно данному изобретению имеют более низкую плотность энергии, чем их обычные дубликаты. Однако они могут потребляться в том же самом объеме как обычные пищевые продукты, таким образом достигая практически такой же степени насыщения. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель находится в пище в обезвоженном состоянии и набухает только в контакте с содержимым желудка или тонкого кишечника, таким образом вызывая большее ощущение сытости по отношению к объему потребляемой пищи.
В одном варианте реализации изобретение относится к пригодному в пищу полимерному гидрогелю, такому как описанный здесь, в форме, которая может использоваться в кулинарии. Например, пригодный в пищу полимерный гидрогель может быть высушен и перемолот для производства гранул, зерен или тонкого порошка. Пригодный в пищу полимерный гидрогель может также предоставляться в обезвоженном, набухшем или частично набухшем состоянии, или в их комбинации и в любой форме, такой как порошок, гранулы, зерна, гель и пленки. Пригодный в пищу полимерный гидрогель полимера может быть упакован для продажи и использования, например, в воздухонепроницаемом контейнере или мешке и упакован по выбору с инструкциями для использования в кулинарии. В одном варианте реализации изобретения инструкции для использования включают в себя рецепты, использующие пригодный в пищу полимерный гидрогель.
Модифицированные пищевые продукты и продукты питания предпочтительно должны содержать углеводный ингредиент, такой как перевариваемый углеводный ингредиент. Предпочтительно чтобы в таких модифицированных пищевых продуктах и продуктах питания пригодный в пищу полимерный гидрогель заменял по крайней мере часть не менее одного углеводного ингредиента. Особенно предпочтительно, чтобы пригодный в пищу полимерный гидрогель заменял по крайней мере часть перевариваемого углевода относительно обычной пищи или пищевых продуктов. Таким образом, в этом варианте реализации изобретения модифицированная пища или пищевые продукты содержат меньше перевариваемого углевода по сравнению с соответствующей обычной пищей или пищевыми продуктами.
В одном варианте реализации изобретения модифицированная пища содержит набухший или гидратированный пригодный в пищу полимерный гидрогель. В этом варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель добавляется как компонент во время приготовления пищи в набухшем состоянии, или он добавляется в обезвоженном или частично набухшем состоянии и затем набухает во время приготовления пищи. В варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель формируется во время приготовления пищи. В этом варианте реализации изобретения полимер(ы) и поперечно-сшивающие агенты пригодного в пищу полимерного гидрогеля добавляются к одному или более компонентам пищи во время приготовления, приводя к образованию пригодного в пищу полимерного гидрогеля во время процесса приготовления, например во время варки.
В одном варианте реализации изобретение обеспечивает пищу, содержащую пригодный в пищу полимерный гидрогель в обезвоженном состоянии. В этом варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает в желудке и/или в тонком кишечнике после приема пищи. Обезвоженный пригодный в пищу полимерный гидрогель дополнительно покрыт гидроизолирующим слоем, чтобы предотвратить или подавить поглощение влаги гидрогелем во время приготовления пищи и/или хранения.
В одном варианте реализации изобретение обеспечивает способ приготовления пищи или пищевых продуктов, содержащих пригодный в пищу полимерный гидрогель, включающий контактирование полимера с поперечно-сшивающим агентом в присутствии одного или более дополнительных ингредиентов, приводящий к образованию пищи или пищевых продуктов, содержащих указанный пригодный в пищу полимерный гидрогель.
В одном варианте реализации изобретение обеспечивает пищевые продукты, которые могут использоваться для приготовления модифицированной пищи согласно данному изобретению, пищевые продукты, содержащие пригодный в пищу полимерный гидрогель. Например, пригодный в пищу полимерный гидрогель может быть высушен и перемолот до мелких частиц и добавлен к муке, например к любой муке, описанной выше, чтобы получить модифицированную муку. Пригодный в пищу полимерный гидрогель может также быть добавлен к муке в других формах, включая гранулы, зерна и пленки. Количество пригодного в пищу полимерного гидрогеля в модифицированной муке может варьировать, но обычно находится в диапазоне 5-55 масс.%. Модифицированная мука может быть упакована вместе с инструкциями по использованию. Инструкции по использованию могут включать в себя рецепты для приготовления модифицированной пищи. Модифицированная мука согласно изобретению может использоваться в упакованных смесях для печеных продуктов, таких как смеси для кекса, смеси для хлеба, смеси для печений и смеси для блинов, и в упакованном тесте, таком как тесто для хлеба и тесто для печенья. Альтернативно, модифицированные смеси и тесто могут быть приготовлены с добавлением обычной муки к другим компонентам в уменьшенном количестве, например примерно от 5 масс.% до 55 масс.% меньше по сравнению с обычной смесью, с балансом, составленным с перемолотым или пленочным пригодным в пищу полимерным гидрогелем.
Модифицированная мука, смеси и тесто, изготовленные согласно изобретению, могут использоваться для приготовления любого пищевого мучного изделия, включая печеные продукты, такие как хлеб, пироги, кексы, выпечка, завтраки из злаков, макаронных изделий, пудинги и соусы.
Альтернативно, такие модифицированные пищевые продукты могут быть приготовлены с уменьшенным количеством муки, используемой в соответствующей обычной пище, и отличаются включением в их состав пригодного в пищу полимерного гидрогеля в обезвоженном, набухшем или частично набухшем состоянии, или их комбинации, и в любой форме, такой как порошок, гранулы, зерна, пленки и т.д.
Изобретение также обеспечивает модифицированные пищевые продукты, которые содержат пригодный в пищу полимерный гидрогель в качестве ингредиента. Предпочтительные модифицированные пищевые продукты включают пищевые продукты на основе углеводов, включая пищевые продукты, приготовленные из зерен, хлебных злаков и/или крахмалистых овощей. В одном варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель заменяет по крайней мере часть, например, примерно от 5% до 55%, от 5% до 40%, от 5% до 30%, от 5% до 20% или от 5% до 10% углеводного содержимого, по отношению к соответствующей обычной пище. Модифицированные пищевые продукты с углеводной основой включают в себя печеные продукты, хлеб, печенье, крекеры, макаронные изделия, хлебные злаки, включая горячие и холодные завтраки из хлебных злаков, пищевые продукты на основе картофеля, включая пюре и жареный картофель, питательные пищевые палочки, пищевые добавки, напитки, включая пищевые напитки и коктейли.
Изобретение также обеспечивает способы производства модифицированной пищи или пищевых продуктов.
Способ включает в себя замену по крайней мере части углеводного содержимого пищи или пищевых продуктов пригодным в пищу полимерным гидрогелем, таким образом формируя модифицированную пищу или пищевые продукты. Часть углеводного содержимого может быть заменена удалением из пищи или пищевых продуктов части одного или более компонентов, используемых для приготовления пищи или пищевых продуктов и ее заменой пригодным в пищу полимерным гидрогелем, предпочтительно в объеме, равном объему удаленной части. Например, модифицированный хлеб может быть приготовлен с использованием модифицированной муки изобретения или с заменой по крайней мере части муки в обычном рецепте хлеба пригодным в пищу полимерным гидрогелем.
В одном варианте реализации модифицированная пища изобретения - это корм для животных, например для собак или кошек или других млекопитающих домашних животных. Корм для животных может быть сухим кормом в форме кусочков или гранул, которые содержат в качестве ингредиента пригодный в пищу полимерный гидрогель. В другом варианте реализации изобретения сухой корм для животных смешан с гранулами пригодного в пищу полимерного гидрогеля в гидратированной или в обезвоженной форме. В другом варианте реализации изобретения корм для животных - это влажный корм, типа консервированного корма для животных, который содержит пригодный в пищу полимерный гидрогель. Изобретение также обеспечивает пригодный в пищу полимерный гидрогель в гидратированной или обезвоженной форме, подходящей для перемешивания с кормом для животных. Например, смешивание влажного корма для животных с пригодным в пищу полимерным гидрогелем увеличивает объем пищи, не увеличивая существенно количество калорий.
В варианте реализации модифицированная пища, согласно изобретению обеспечивает значительную питательную пользу в форме растворимого и/или нерастворимого волокна, углеводов, белков, витаминов, минеральных веществ и масла. Модифицированная пища также предпочтительно должна быть вкусной с аппетитным ароматом и структурой.
В варианте реализации изобретения модифицированная пища обеспечивает удобный носитель для замены пищи или закуски, предназначенной тем, кто хочет сбросить вес. Когда потребители предпочитают закуски и другие пищевые продукты, которые более здоровые и которые могут помочь им регулировать форму и вес и другие задачи со здоровьем, они предпочитают не жертвовать органолептическими свойствами своих любимых пищевых продуктов или закусок. Поэтому, предпочтительные модифицированные пищевые продукты изобретения должны быть вкусными.
В одном варианте реализации модифицированная пища изобретения - это питательные пищевые палочки. Модифицированные пищевые палочки, изготовленные согласно изобретению, представляют собой усовершенствование обычных пищевых палочек.
Модифицированные пищевые продукты изобретения, например питательные пищевые палочки, могут включать в себя множество пищевых ингредиентов в дополнение к пригодному в пищу полимерному гидрогелю. Такие пищевые ингредиенты включают в себя углеводы, волокна, белки, жиры и масла, подсластители, приправы, витамины и минеральные вещества.
В варианте реализации изобретения модифицированная пища - это горячие или холодные завтраки из злаков или питательные пищевые палочки. Завтраки из злаков могут быть холодными, содержащими пшеницу, кукурузу, овес рис или другие зерна, такие как кукурузные хлопья и другие хлебные злаки. Завтраки также могут быть горячими, содержащими пшеницу, кукурузу, овес, рис или другое зерно, такие как овсяное толокно.
В других вариантах реализации изобретения модифицированная пища - это молочные продукты, такие как йогурт или сыр, включая мягкие сыры, такие как сливочный сыр, прессованный творог и обработанный американский сыр. Модифицированные молочные продукты изобретения имеют уменьшенную плотность энергии, чем их обычные суррагаты, сохраняя структуру и/или органолептические свойства обычных пищевых продуктов. Пригодный в пищу полимерный гидрогель может быть добавлен к пищевым продуктам типа йогурта, чтобы обеспечить аромат и/или структуру, например, как замена для кусочков фруктов. Пригодный в пищу полимерный гидрогель может, например, набухать в водном растворе, содержащем подходящую отдушку, такую как фруктовую отдушку.
В другом варианте реализации изобретения модифицированная пища - это десерт, такой как сироп, пудинг, мусс, мороженое, замороженный йогурт или заварной крем.
Изобретение дополнительно обеспечивает способы приготовления модифицированных пищевых продуктов согласно изобретению. Модифицированные пищевые продукты могут быть приготовлены с использованием обычных процессов и рецептов, но с добавлением пригодного в пищу полимерного гидрогеля в качестве дополнительного ингредиента или заменителя всего или части другого ингредиента. Пригодный в пищу полимерный гидрогель может быть полностью перемешан со всей модифицированной пищей или он может быть включен в обособленную часть композиции, например, как покрытие или как частицы или гранулы. Пища может быть сырой или приготовленной, например печеной, обжаренной, жареной на огне или обжаренной в духовке.
В варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель - это ингредиент в компонентах пищи, такой как кусочки печенья или шоколада (например, шоколадные чипсы или шоколадные куски). Например, пригодный в пищу полимерный гидрогель может быть добавлен как порошок к расплавленному шоколаду, который затем охлаждается для формирования кусочков шоколада или покрытий, которые содержат пригодный в пищу полимерный гидрогель.
В другом варианте реализации изобретения гидрогель - это один из компонентов самой пищи.
В другом варианте реализации изобретения модифицированная пища, такая как пищевые палочки или печенья, приготавливается тепловой обработкой, предпочтительно выпечкой. В этом способе приготавливается густое тесто или жидкое тесто, содержащее пригодный в пищу полимерный гидрогель и другие ингредиенты, такие как углеводный ингредиенты, жир или масло, белковые ингредиенты и приправы. Это тесто может быть отформовано в отдельные печенья или пищевые палочки или в большую форму, из которой отдельные палочки или печенье могут быть нарезаны до выпечки или после нее. После выпечки на палочки или печенье может быть дополнительно нанесено обычные покрытиее, такое как расплавленное покрытие, включающее в себя расплавленный шоколад или ваниль, орехи, гранолу или другие известные покрытия.
В другом варианте реализации способ изготовления модифицированной пищи согласно изобретению не включает в себя варку или нагревание. Этот способ имеет преимущество из-за отсутствия деструкции чувствительных к нагреву витаминов и минеральных веществ. Дополнительно, затраты энергии и время обработки уменьшаются при таком процессе. Такой процесс может быть серийным или непрерывным. В одном варианте реализации изобретения для производства пищевых палочек это непрерывный процесс, отличающийся тем, что компоненты объединяются с самого начала. Ингредиенты могут быть объединены перемешиванием, при условии, что они включают в себя кусочки гранолы, печенья и т.д., которые должны оставаться неповрежденными, процесс перемешивания главным образом сохраняет целостность этих кусочков. Объединенные ингредиенты перемещаются на ленточном конвейере и в бункеры обычного кондитерского экструдера, типа экструдера полос Werner-Lahara, которые имеют противостоящие ролики, проталкивающие смесь через матрицу для образования экструдата или сердцевины. Предпочтительной формой экструзии является прямоугольная полоса, но полосы другой формы, известные в производстве закусок, такие как полосы цилиндрической и полуцилиндрической формы, могут быть сделаны с использованием соответствующих матриц экструдера.
Экструдат нарезается на отдельные куски нужного размера с помощью подходящих режущих устройств, таких как резак гильотинного типа или струнно-резальная машина, например, обычным способом. Экструдат предпочтительно можно нарезать так, чтобы получить полосу нужного размера.
Процесс приготовления пищевых палочек или печенья согласно настоящему изобретению может дополнительно включать в себя стадию нанесения покрытия на палочки или печенье, например, глазировку, напыление или макание в материал покрытия, такой как расплавленный материал покрытия, например расплавленный шоколад. Расплавленный материал покрытия может быть тем же самым или отличающимся от покрытых палочек. Затем дают остыть поверхностному покрытию, предпочтительно, охлаждая в охлаждающем туннеле, чтобы материал покрытия затвердел. На продукт с покрытием может быть нанесен обычный верхний слой типа гранолы или арахиса.
Затем модифицированная пища, такая как пищевые палочки или печенья, могут быть упакованы предпочтительно в обычной фольгированной многослойной пищевой пленке. Упаковка в фольгированную многослойную пленку сохраняет содержание влаги в продукте и предотвращает поглощение влаги пригодным в пищу полимерным гидрогелем и набухание до приема пищи после хранения в течение длительного периода времени. Внутренняя часть упаковки может быть обычным образом заполнена инертным газом, таким как азот, чтобы уменьшить содержание кислорода в пакете.
В варианте реализации модифицированная пища согласно изобретению имеет низкое содержание влаги, например, меньше чем 10 масс.%, кроме того, требует продолжительного жевания и имеет влажный вкус. В варианте реализации изобретения пища устойчива при хранении по крайней мере в течение от 6 до 12 месяцев в условиях без охлаждения.
Модифицированные горячие или холодные завтраки из хлебных злаков согласно изобретению могут быть приготовлены покрытием кусочков из злаков, таких как хлопья, пригодным в пищу полимерным гидрогелем. Пригодный в пищу полимерный гидрогель может также быть добавлен к хлебным злакам в виде отдельных кусочков, может быть по выбору объединен с одним или более другими компонентами пищи, такими как орехи, сахара и так далее. Пригодный в пищу полимерный гидрогель может также быть добавлен как составной компонент хлебных злаков, например, в испеченном хлебном злаке, будучи добавленным к твердому или жидкому тесту до выпечки. Пригодный в пищу полимерный гидрогель может быть частично или полностью покрыт гидроизолирующим слоем, или оставаться непокрытым.
Для модифицированных горячих завтраков из хлебных злаков согласно изобретению пригодный в пищу полимерный гидрогель может быть нанесен на кусочки злаков и может быть обезвоженным, частично набухшим или набухшим до степени, достаточной для создания большого объема, и уменьшенным.
В одном варианте реализации изобретение обеспечивает напиток, содержащий кислоту, такую как лимонная кислота, аскорбиновая кислота, янтарная кислота, винная кислота, фосфорная кислота или монокалия фосфат, и рН-чувствительный пригодный в пищу полимерный гидрогель. Предпочтительное рН напитка должно быть 4 или меньше и более предпочтительно между 2.5 и 4. Подходящие пригодные в пищу полимерные гидрогели включают в себя пригодные в пищу полимерные гидрогели, содержащие поликислотный полимер, такой как описан выше. Такие пригодные в пищу полимерные гидрогели не будут абсорбировать значительные количества воды при низком рН напитка, но будут абсорбировать жидкость в желудке, особенно когда рН желудка увеличивается сразу во время приема пищи. Напиток может быть дополнен, например, фруктовым ароматизатором или фруктовым соком. Напиток может также содержать питательные вещества, такие как витамины и минеральные вещества, белки, электролиты, и/или сахар, такой как сахароза или глюкоза. Такие питательные вещества могут представлять ингредиент фруктового сока или добавляться как очищенные питательные вещества или смеси питательных веществ. Напиток может содержать другие ароматизаторы, включая искусственные подсластители, и естественные и/или искусственные красители. Напитки согласно изобретению могут продаваться как готовые к употреблению напитки, или как концентрат или порошок, к которому потребитель добавляет воду.
В одном варианте реализации данное изобретение обеспечивает напиток, который способен обеспечивать долговременную доставку воды и минеральных веществ в тонкий кишечник для длительной гидратации. Этот результат достигается добавлением к напитку микросфер набухшего пригодного в пищу полимерного гидрогеля. Пригодный в пищу полимерный гидрогель проглатывается вместе с напитком и только в тонком кишечнике поставляет жидкость и соли под градиентом концентрации. Затем пригодный в пищу полимерный гидрогель удаляется с фекалиями.
С целью доставки этот продукт, добавка макрочастиц гидрогеля или микросфер в обезвоженном состоянии упакована и защищена от жидкости, например под крышкой (Фигура 1). Микросферы гидрогеля дополнительно насыщаются добавками, такими как белки, соли и/или молекулы, предназначенными для перорального введения. Перед питьем контейнер под крышкой ломается, высвобождая пригодный в пищу полимерный гидрогель в жидкость, где он начинает набухать (Фигура 2). Высвобождение добавок начинается сначала в жидкой массе и затем при прохождении через желудочно-кишечный тракт.
Количество хранящегося пригодного в пищу полимерного гидрогеля изменяется как функция времени гидратации и нужного насыщения солью и питательными веществами. Однако максимальное количество пригодного в пищу полимерного гидрогеля, хранящегося в бутылке, будет отрегулировано таким образом, чтобы он не мог абсорбировать всю жидкую фазу, для того чтобы создать суспензию микрошариков, а не объемный гель.
Второй подход к этой отдельной области применения состоит в использовании напитка или другой жидкой, полужидкой или замороженной пищи в качестве носителя для материала пригодного в пищу полимерного гидрогеля, создавая эффект увеличения объема (Фигура 3). Подходящие пищевые продукты включают в себя молочные продукты, такие как йогурт, мороженое, замороженный йогурт, замороженный заварной крем, и супы, при этом пригодный в пищу полимерный гидрогель в сухой форме для этой цели покрывается белком или макромолекулярной пленкой, или другим подходящим гидроизолирующим слоем, который не растворяется в воде или водных растворах, таким образом предотвращая набухание гидрогеля в жидкости перед приемом пищи. Когда пригодный в пищу полимерный гидрогель достигает желудка, покрытие растворяется или переваривается, и пригодный в пищу полимерный гидрогель начинает набухать, таким образом увеличивая вязкость жидкости, присутствующей в желудке. Кроме того, с помощью этого защитного покрытия материал можно глотать в больших количествах, без необходимости проглатывать большое количество капсул, заполненных ксерогелем.
Пригодные в пищу полимерные гидрогели
Пригодные в пищу полимерные гидрогели согласно настоящему изобретению отобраны из группы, состоящей из гомополимеров, сополимеров, смесей полимеров, поперечно-сшитых полимеров, сверхпористых полимеров, взаимопроникающих полимеров, сверхабсорбирующих полимеров и полимерных композитов. В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель - это сверхабсорбирующий пригодный в пищу полимерный гидрогель. В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель имеет реологические свойства, сходные с реологическими свойствами пережеванной или густой пищи, перемешанной с желудочной или кишечной жидкостью.
Термин «пригодный в пищу полимерный гидрогель», используемый здесь, означает поперечно-сшитый гидрофильный полимер, способный абсорбировать воду и водные растворы в количествах, во много раз превышающих вес сухого полимера. Термин «пригодный в пищу полимерный гидрогель» относится к любому состоянию гидратации поперечно-сшитого полимера, от высушенного состояния или «ксерогеля» до полностью гидратированного состояния геля. Квалифицированный специалист-технолог поймет, что нужное состояние гидратации пригодного в пищу полимерного гидрогеля зависит от предназначенного использования. Например, в описанных выше способах, в которых пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает после перорального введения, пригодный в пищу полимерный гидрогель вводится в основном в обезвоженном состоянии, которое сохраняет практически всю абсорбирующую способность пригодного в пищу полимерного гидрогеля.
«Обезвоженный» пригодный в пищу полимерный гидрогель сохраняет по крайней мере примерно 70, 80, 90, 95, 98 или 99% или более своей абсорбирующей способности. Обезвоженный пригодный в пищу полимерный гидрогель, например, обычно содержит меньше 25 масс.% воды, предпочтительно меньше, чем 10 масс.% воды и наиболее предпочтительно примерно 5 масс.% или меньше воды.
Термин «пригодный в пищу полимерный гидрогель», используемый здесь, относится к полимерному гидрогелю в любом состоянии гидратации, который (1) произведен поперечной сшивкой полимера, такого как пригодный в пищу полимер, поперечно-сшивающим агентом, например, пригодным в пищу поперечно-сшивающим агентом и/или (2) является гидрофильньым полимером, поперечно-сшитым поликарбоксильной кислотой. Предпочтительно чтобы пригодный в пищу полимерный гидрогель был приготовлен из пригодных в пищу материалов, таких как материалы пищевого качества, или материалы, которые в целом оцениваются как безопасные ("GRAS"), как определено американским управлением «U.S. Food and Drug Administration», или являются пищевой добавкой, как определено Европейским союзом. Пригодный в пищу полимерный гидрогель приготовлен из пригодных в пищу материалов, если он получен поперечной сшивкой полимера пищевого качества или полимера GRAS с поперечно-сшивающим агентом. Предпочтительно чтобы пригодный в пищу полимерный гидрогель расщеплялся в толстой кишке, но не расщеплялся в желудке или в тонком кишечнике. Пригодный в пищу полимерный гидрогель имеет биоразлагаемые поперечные связи, биоразлагаемую основу или, предпочтительно, то и другое.
«Пригодный в пищу полимер» - это полимер, который имеет биоразлагаемую основу.
«Пригодный в пищу поперечно-сшивающий агент» - это поперечно-сшивающий агент, который формирует биоразлагаемые поперечные сшивки полимера и продукты деструкции поперечной связи безопасны для потребления.
Термин «биоразлагаемый», используемый здесь, относится к материалу, который расщепляется, частично или полностью, в пределах желудочно-кишечного тракта пациента, которому перорально ввели этот материал. Такая деградация происходит в пределах времени пребывания материала в желудочно-кишечном тракте и предпочтительно происходит в толстой кишке. Предпочтительно чтобы степень деградации была достаточной для того, чтобы высвободить в желудочно-кишечный тракт или в толстую кишку, по крайней мере 70, 80 или 90% или более жидкости, абсорбированной пригодным в пищу полимерным гидрогелем.
Не обязательно, чтобы все материалы, использованные в синтезе пригодного в пищу полимерного гидрогеля, например растворители, были пригодными в пищу. Однако предпочтительно чтобы любые такие непригодные в пищу материалы в значительной степени отсутствовали в съедобном полимерном гидрогеле. Например, любой непригодный в пищу органический растворитель, используемый в приготовлении пригодного в пищу полимерного гидрогеля, должен быть удален из материалов до использования. Некоторое количество остаточных материалов может быть приемлемым в зависимости от их особенностей, известных в технологии.
1
6
1
6
1
6
1
6
Полимеры, которые могут быть поперечно сшиты для производства используемых здесь пригодных в пищу гидрогелей, включают в себя полисахариды и полисахаридные производные, такие как целлюлозы, включая алкилцеллюлозы, такие как C-С-алкилцеллюлозы, включая метилцеллюлозу, этилцеллюлозу и n-пропилцеллюлозу; замещенные алкилцеллюлозы, включая гидрокси-С-С-алкилцеллюлозы и гидрокси-С-С-алкил-С-С- алкилцеллюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза, гидрокси-n-пропилцеллюлоза, гидрокси-n-бутилцеллюлоза, гидроксипропилметилцеллюлоза, этилгидроксиэтилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза и ацетат целлюлоза; крахмалы, такие как кукурузный крахмал, гидроксипропилкрахмал и карбоксиметилкрахмал; замещенные декстраны, такие как декстран сульфат, декстран фосфат и диэтиламинодекстран; глюкозаминогликаны, включая гепарин, гиалуронан, хондроитин, хондроитин сульфат и гепаран сульфат; хитозан, альгинат, каррагинан, пектин, гиалуроновую кислоту; β-глюкан и полиуроновые кислоты, такие как полиглюкуроновая кислота, полимануроновая кислота, полигалактуроновая кислота и полиарабиновая кислота.
Предпочтительные полимеры - это производные целлюлозы, в частности карбоксиметилцеллюлоза. Пригодные поперечно-сшивающие агенты включают в себя лимонную кислоту, яблочную кислоту и белки, включая желатин и коллаген. Полимер может также быть непосредственно поперечно сшитым, например, как описано в опубликованной заявке патента США No 2008/0227944, включенной здесь полной ссылкой.
Структурно пригодные в пищу полимерные гидрогели имеют двух- или трехмерные макромолекулярные конфигурации. Их получают с помощью нескольких способов, включая а) синтез из мономеров (полимеризация поперечной сшивкой); b) синтез из полимеров и вспомогательных веществ для полимеризации (привитая сополимеризация и полимеризация поперечной сшивкой); с) синтез из полимеров и вспомогательных веществ, не имеющих отношения к полимеризации (поперечно-сшивающие полимеры); d) синтез из полимеров с использованием источников энергии (поперечная сшивка полимеров в отсутствие вспомогательных веществ) и е) синтез из полимеров (поперечная сшивка реакцией перекрестного взаимодействия полимер-полимер), но не ограничиваются ими. Исходные материалы и технология, используемая в синтезе, являются главными факторами, определяющими основные свойства гидрогелей и диапазон их применения.
Есть множество способов, известных для получения вещества абсорбента высокой чистоты для водных сред с трехмерными конфигурациями полимеров для потенциального применения в фармацевтической промышленности и/или в медицине: химические способы а): ионное и/или координационное перекрестное комплексообразование (то есть, патент США No 4570629, выданный Widra и патент США No 5153174, выданный Band et al.); поперечная сшивка олигомеров или реакционно-способных полимеров, которые имеют химически активные группы с двойными связями или кольцами (то есть, патент США No 5489261, выданный Franzblau el al., и патент США No 5863984, выданный Doillon et al.); радиационная поперечная сшивка (то есть, патент США No RE 33997, выданный Kuamz et al.; патент США No 4264155, выданный Miyata; и патент США No 5948429, выданный Bell et al.); и б) физические способы: поперечная сшивка микроволновым излучением (то есть, патенты США No 5859077 и 6168762, выданные Reichman et al.); лиофилизация (то есть, патенты США No 5676967, выданный Williams et al., и 5869080, выданный McGrcgor et al.); и дегидратационная термическая поперечная сшивка (то есть, патент США No 4837285, выданный Айсбергу et al.; патент США No 4950485, выданный Akhtar et al.; и патент США No 4971954, выданный Brodsky et al.).
В предпочтительных вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель является чувствительным к рН, то есть объем вмещаемой им жидкости является функцией рН. Такие пригодные в пищу полимерные гидрогели включают в себя гидрогели, сформированные из полиосновных или поликислотных полимеров. Пригодные в пищу полимерные гидрогели, содержащие поликислотные полимеры, обладают большей вместимостью жидкости при высоком рН, чем при низком рН. При съедании вместе с едой или как компонент пищи, такие пригодные в пищу полимерные гидрогели набухают, когда рН желудка возрастает при введении пищи, и затем сжимаются, по крайней мере частично, когда рН желудка падает после переваривания пищи. В одном варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель расщепляется в желудке в достаточной степени, чтобы высвободить не менее 50% своего жидкого содержимого. Когда пригодный в пищу полимерный гидрогель расщепляется, то он выходит в тонкий кишечник с помощью механизма очищения желудка. Предпочтительно, чтобы частицы пригодного в пищу полимерного гидрогеля расщеплялись в желудке до размера менее 2 мм, что позволит им проходить через пилорус-сфинктер, расположенный в месте соединения желудка и тонкого кишечника. Благодаря нейтральному рН в верхней части желудочно-кишечного тракта, такой пригодный в пищу полимерный гидрогель будет набухать в тонком кишечнике на период времени, достаточный чтобы значительно уменьшить абсорбцию сахаров и жиров, и таким образом увеличивать насыщение и гликемический контроль перед сжатием в толстой кишке, достаточным для экскреции из организма. Такое сжатие может происходить, например, за счет деструкции пригодного в пищу полимерного гидрогеля через потерю поперечных сшивок, что приводит к высвобождению жидкости и к уменьшению объема, достаточного для экскреции из организма. Высвобождение воды при деструкции полимера может помочь предотвратить диарею и обезвоживание.
4
12
В варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель содержит гидрофильный полимер, поперечно-сшитый с поликарбоксильной кислотой. Пригодные в пищу полимерные гидрогели этого типа описаны в WO 2009/021701 и WO 2009/022358, каждая из этих ссылок включена здесь полностью. В других вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель включает в себя по крайней мере два гидрофильных полимера, поперечно-сшитых поликарбоксильной кислотой. В одном варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель содержит ионный полимер, неионный полимер и поликарбоксильную кислоту, предпочтительно от С до C - дикарбоксильную, трикарбоксильную кислоту или тетракарбоксильную кислоту, где поликарбоксильная кислота поперечно связывает ионный и неионный полимер. Соотношение веса ионного полимера к неионному полимеру - предпочтительно должно быть примерно от 1:5 до 5: 1, более предпочтительно от 2:1 до 5:1 и наиболее предпочтительно примерно 3:1. В одном предпочтительном варианте реализации изобретения ионным полимером является карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), неионным полимером - является гидроксиэтилцеллюлоза, а поликарбоксильной кислотой является лимонная кислота.
В предпочтительном варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель содержит ионный полимер, например анионный полимер или катионный полимер. Более предпочтительно чтобы ионным полимером была карбоксиметилцеллюлоза или ее соль, типа карбоксиметилцеллюлозы натрия. В особенно предпочтительном варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель содержит карбоксиметилцеллюлозу, поперечно-сшитую лимонной кислотой.
В варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель содержит целлюлозный полимер, типа описанного выше, поперечно-сшитый с белком. В желудочно-кишечном тракте человека есть много протеолитических ферментов, которые легко расщепляют белковые поперечные сшивки, и сетка пригодного в пищу полимерного гидрогеля распадается, устраняя риск закупорки желудочно-кишечного тракта.
Поперечно-сшивающим белком может быть белок натурального происхождения (например, инсулин), обработанный белок (например, желатин или коллаген) или синтетический секвенированный белок (например, полилизин или полиаргинин). Предпочтительны белки, которые перевариваются в верхней части желудочно-кишечного тракта. В этой зоне желудочно-кишечного тракта есть панкреатические ферменты, которые включают в себя протеолитические ферменты, липазы и амилазы.
Поперечная сшивка между целлюлозой и белком может быть ионной или ковалентной. Ионная поперечная сшивка может быть получена, например, обработкой водного раствора карбоксиметилцеллюлозы поликатионом, типа полиаргинина или полилизина. Ковалентная поперечная сшивка может быть получена с помощью реакции функциональных групп на целлюлозном полимере с функциональными группами на белке. Например, белок может быть активирован для реакции поперечной сшивки активацией функциональных групп белка. Например, активация может быть выполнена на аминокислотах, таких как лизин или аргинин. Затем активированный белок может вступать в реакцию с целлюлозным полимером, чтобы сформировать эфирные или амидные связи, которые создают поперечно-сшитую сетку целлюлозы и белка. Эта эфирная или амидная связь не должна гидролизоваться для того, чтобы гидрогель распался как другие системы. Скорее гидрогель распадется, когда белковая часть будет расщеплена ферментами.
-5
Пригодный в пищу полимерный гидрогель, применяемый в продуктах и способах согласно изобретению, предпочтительно должен иметь коэффициент набухания но крайней мере около 40. Коэффициент набухания (SR) - это мера способности пригодного в пищу полимерного гидрогеля абсорбировать воду. Значение SR получается измерением набухания при равновесии (используя, например, микровесы Sartorius (Sartorius AG, Goettingen, Германия) с чувствительностью 10) и вычисляется по следующей формуле:
s
d
d
SR = (W-W)/W,
s
d
где W является весом пригодного в пищу полимерного гидрогеля после погружения в дистиллированную воду (SGF/вода 1:8 или SIF) в течение 1 часа, и W - это вес пригодного в пищу полимерного гидрогеля перед погружением, пригодный в пищу полимерный гидрогель предварительно высушивается, чтобы удалить любую остаточную воду. Если не заявлено иначе, то термин «коэффициент набухания», используемый здесь, относится к измерению, сделанному в дистиллированной воде в качестве среды набухания, и определяется как описано в Примере 32С.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель имеет SR по крайней мере около 40, около 50, около 60, около 70, около 80, около 90 или около 100. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель имеет SR примерно от 10 до 100, примерно от 20 до 100, примерно от 30 до 100, примерно от 40 до 100, примерно от 50 до 100, примерно от 60 до 100, примерно от 70 до 100, примерно от 80 до 100 или примерно от 90 до 100. В других вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель имеет SR приблизительно от 40 до 200, примерно от 40 до 250, от 40 до 300 или от 100 до 500. В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель имеет SR до 150, 200, 250, 300, 400, 500 или более. Все диапазоны SR, связанные с любыми нижними пределами и любыми верхними пределами, установленными здесь, рассмотрены в этом изобретении.
В некоторых вариантах реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель может абсорбировать количество кишечной или желудочной жидкости, которое по крайней мере примерно в 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120 или более раз больше его сухого веса. Способность пригодного в пищу полимерного гидрогеля абсорбировать такие жидкости может быть протестирована с использованием обычных способов, включая тестирование с образцами жидкостей тела, полученными от одного или более пациентов, или с искусственными жидкостями тела, такими как искусственная желудочная жидкость. В некоторых предпочтительных вариантах реализации изобретения пригодные в пищу полимерные гидрогели могут абсорбировать значительные количества SIF или жидкости, приготовленной смешиванием одного объема искусственной желудочной жидкости (SGF) с восьмью объемами воды. SGF и SIF могут быть приготовлены с использованием известных растворов для процедур тестирования USP. В некоторых вариантах реализации пригодные в пищу полимерные гидрогели согласно изобретению могут абсорбировать SGF/воду 1:8 и/или SIF примерно не менее 10, 20, 30,40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120 или более раз больше их сухого веса
Модуль упругости материала - это математическое описание тенденции объекта или вещества деформироваться упруго (то есть, непостоянно), когда к нему применяется усилие. Если не указано иначе, то термин «модуль упругости», используемый здесь, относится к измерению, произведенному в дистиллированной воде в качестве среды и определенному как описано в Примере 32А. Предпочтительные пригодные в пищу полимерные гидрогели, использованные здесь, имеет модуль упругости в дистиллированной воде по меньшей мере около 100 Па, 200 Па, 300 Па, 400 Па или более, измеренный способом согласно Примеру 32А.
Вязкость - это мера сопротивления жидкости, которая деформируется или напряжением сдвига, или напряжением растяжения (напряжение, которое применяется параллельно или тангенциально к лицевой поверхности материала). Если не установлено иначе, то термин «вязкость» материала, типа пригодного в пищу полимерного гидрогеля, относится к значению, определенному в дистиллированной воде, с использованием протокола, описанного в Примере 32В.
-1
-1
-1
-1
Предпочтительные пригодные в пищу полимерные гидрогели, использованные здесь, имеют вязкость по крайней мере около 15 s, 30 s, 50 s или 100 s, измеренную с помощью способа согласно Примеру 32.
-1
В одном варианте реализации изобретения использованные здесь пригодные в пищу полимерные гидрогели имеют коэффициент набухания больше чем 40, модуль упругости не менее 200 Па и вязкость не менее 30 s.
Пригодный в пищу полимерный гидрогель предпочтительно используется в форме макрочастиц или порошка. Частицы пригодного в пищу полимерного гидрогеля могут быть разнообразных размеров, но обычно находятся в диапазоне примерно 1-1000 мкм. Предпочтительно чтобы размеры частицы были в диапазоне примерно 10-800 мкм и более предпочтительно - примерно 50-600 мкм. Соответствующий диапазон размеров частиц может быть выбран для специфического использования в технологии.
В набухшем состоянии пригодный в пищу полимерный гидрогель может иметь реологические свойства, зависящие от природы модифицированной пищи. Например, в твердой композиции, такой как пищевые палочки или выпеченные продукты, набухший полимер может быть твердым, чтобы соответствовать реологическим свойствам пищи. Реологические свойства пригодного в пищу полимерного гидрогеля могут быть отрегулированы с помощью контроля степени поперечной сшивки. Например, сильно сшитый поперечными сшивками гидрогель будет более жестким и обычно будет также иметь уменьшенную способность абсорбировать воду по сравнению с слабо сшитым поперечными сшивками гидрогелем. Таким образом, пригодный в пищу полимерный гидрогель можно проектировать, чтобы обеспечить баланс необходимых реологических свойств и нужной абсорбирующей способности.
В варианте реализации изобретения обезвоженный пригодный в пищу полимерный гидрогель покрыт гидроизолирующим слоем до того, как он используется в приготовлении модифицированных пищевых продуктов согласно изобретению. Таким образом, изобретение обеспечивает полимерный гидрогель, покрытый гидроизолирующим слоем. Этот слой является непроницаемым или устойчивым для того, чтобы предотвратить или ингибировать абсорбцию воды и набухание пригодного в пищу полимерного гидрогеля при хранении, или одного, или как компонента модифицированной пищи согласно изобретению и/или после контакта со слюной. Было обнаружено что транспорт воды между компонентами с различным содержанием воды в смешанной пище может быть предотвращен, по крайней мере подавлен, при использовании покрывающего слоя между этими двумя компонентами. Так как пригодные в пищу полимерные гидрогели согласно изобретению являются гигроскопичными, то желательно покрывать их.
Фармацевтической промышленностью были проведены обширные исследования в области гидроизолирующих слоев для покрытия таблеток. Например, заявка британского патента 756082 раскрывает, что чувствительность таблеток к влажности может быть уменьшена за счет смешивания чувствительных к влажности порошковых ингредиентов с раствором проламина в спирте и затем переработки покрытых порошков в таблетки.
Шеллак является часто используемым биополимером для покрытий из гидроизолирующих слоев на пищевых продуктах и часто используется в комбинации с гидроксипропилцеллюлозой (US 4820533). Комбинация шеллака с проламином также использовалась с этой целью (ЕР 0090559). В патентной заявке WO 95/23520 описан состав мороженого, отличающийся тем, что присутствуют сахарные частицы, инкапсулированные в слой молочного жира. Сахарные частицы очень маленькие (>100 мкм). Благодаря слою молочного жира предотвращается растворение сахара в мороженом. US 200610286264 детально описывает покрытие частиц с триглицеридом с определенной длиной цепи жирных кислот и содержимое твердых частиц. US 200210146495 описывает композицию гидроизолирующегося слоя для образования гидроизолирующего покрытия для продовольственных продуктов, особенно для выпечки, содержащего съедобное, низкоплавкое масло и пригодный в пищу жир с высокой температурой плавления. ЕР 0471558 описывает изготовление гидроизолирующего слоя из биополимера, такого как казеинат натрия, и липидов.
Другие покрытия для продовольственных продуктов не имеют "воскового" ощущения в рту, которые остаются твердыми при комнатной температуре, но резко плавятся при температуре тела и с диапазоном плавления, контролируемым в узких пределах. В одном варианте реализации изобретения покрытие содержит один или более других компонентов, таких как масла, белки или жиры, используемые в приготовлении продовольственного продукта.
Все вышеупомянутые способы и другие способы, известные в технологии, могут быть использованы для покрытия частиц пригодного в пищу полимерного гидрогеля, используя известные способы, такие как покрытие распылением, гранулирование (замораживание аэрозоля), покрытие в псевдоожиженном слое, промывка, рассеивание, распыление, обрызгивание, тонкое измельчение, погружение, соскабливание и/или вращение.
Приготовление пригодных в пищу полимерных гидрогелей
В предпочтительных вариантах реализации пригодные в пищу полимерные гидрогели для использования в изобретении могут быть приготовлены способом поперечной сшивки водного раствора, содержащего гидрофильный полимер с поликарбоксильной кислотой, таким образом получая пригодный в пищу полимерный гидрогель. В некоторых вариантах реализации изобретения водный раствор содержит два или более гидрофильных полимера. Например, водный раствор может содержать первый гидрофильный полимер и второй гидрофильный полимер, который может присутствовать в тех же самых или в различных количествах по весу. В предпочтительных вариантах реализации изобретения первый гидрофильный полимер является ионным полимером, а второй полимер - неионным полимером.
Реакция поперечной сшивки предпочтительно проводится при повышенной температуре, например, при температуре выше комнатной температуры (25°С). Реакция может проводиться при температуре от примерно 30°С до примерно 300°C или выше, предпочтительно от примерно 50°С до примерно 140°С. В одном варианте реализации изобретения реакционный раствор концентрируется удалением воды во время проведения реакции поперечной сшивки при повышенной температуре. Удаление воды может достигаться, например, выпариванием. В одном варианте реализации изобретения фракция воды удалена. В другом варианте реализации изобретения значительная часть всей воды удаляется, таким образом производя сухой остаток. Дополнительно реакционная смесь поддерживается при повышенной температуре на некоторый период времени после удаления воды для высушивания.
Термин «гидрофильный полимер», используемый здесь, относится к полимеру, который в значительной степени растворяется в воде и предпочтительно включает в себя мономерные единицы, которые содержат гидроксильные группы. Гидрофильный полимер может быть гомополимером, который включает в себя только одну повторяющуюся мономерную единицу, или сополимером, содержащим две или более разные повторяющиеся мономерные единицы. В предпочтительном варианте реализации изобретения гидрофильный полимер гидроксилирован, как например полиаллильный спирт, поливиниловый спирт или полисахарид.
1
6
1
6
1
6
1
6
Полисахариды, которые могут использоваться, включают в себя алкилцеллюлозы, такие как C-С- алкилцеллюлозы, включая метилцеллюлозу, этилцеллюлозу и n-пропилцеллюлозу; замещенные алкилцеллюлозы, включая гидрокси-С-С-алкилцеллюлозы и гидрокси- C-С-алкил-С-С- алкилцеллюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза, гидрокси-n-пропилцеллюлоза, гидрокси-n-бутилцеллюлоза, гидроксипропилметилцеллюлоза, этилгидроксиэтилцеллюлоза и карбоксиметилцеллюлоза; крахмалы, такие как кукурузный крахмал, гидроксипропилкрахмал и карбоксиметилкрахмал; замещенные декстраны, такие как декстрана сульфат, декстрана фосфат и диэтиламинодекстран; глюкозаминогликаны, включая гепарин, гиалуронан, хондроитин, хондроитина сульфат и гепаран сульфат; и полиуроновые кислоты, такие как полиглюкуроновая кислота, полимануроновая кислота, полигалактуроновая кислота и полиарабиновая кислота.
Термин «ионный полимер», используемый здесь, относится к полимеру, содержащему мономерные единицы, имеющие кислотную функциональную группу, такую как карбоксильную, сульфатную, сульфонатную, фосфатную или фосфонатную группу, или основную функциональную группу, такую как амино, замещенную амино или гуанидильную группу. В водном растворе при подходящем диапазоне рН ионный полимер, содержащий кислотные функциональные группы, будет полианионом, и такой полимер упоминается здесь как «анионный полимер».
Аналогично, в водном растворе при подходящем диапазоне рН фактора ионный полимер, содержащий основные функциональные группы, будет поликатионом. Такой полимер упоминается здесь как «катионный полимер». Используемые здесь термины ионный полимер, анионный полимер и катионный полимер относятся к гидрофильным полимерам, в которых кислотные или основные функциональные группы не заряжены, а также к полимерам, в которых некоторые или все кислотные или основные функциональные группы заряжены, в комбинации с соответствующим противоионом. Подходящие анионные полимеры включают в себя альгинат, декстрана сульфат, карбоксиметилцеллюлозу, гиалуроновую кислоту, полиглюкуроновую кислоту, полимануроновую кислоту, полигалактуроновую кислоту, полиарабиновую кислоту; хондроитина сульфат и декстрана фосфат. Подходящие катионные полимеры включают в себя хитозан и диметиламинодекстран. Предпочтительным ионным полимером является карбоксиметилцеллюлоза, которая может использоваться в кислой форме или как соль с подходящим катионом, таким как натрий, калий или кальций.
1
6
1
6
1
6
1
6
Термин "неионный полимер", используемый здесь, относится к гидрофильному полимеру, который не содержит мономерных единиц, имеющих ионизируемые функциональные группы, такие как кислотные или основные группы. Такой полимер будет не заряжен в водном растворе. Примерами подходящих неионных полимеров для использования в данном способе являются полиаллиловый спирт, поливиниловый спирт, крахмалы, такие как кукурузный крахмал и гидроксипропилкрахмал, алкилцеллюлозы, такие как C-С- алкилцеллюлозы, включая метилцеллюлозу, этилцеллюлозу и n-пропилцеллюлозу; замещенные алкилцеллюлозы, включая гидрокси-С-С-алкилцеллюлозы и гидрокси- С-С-алкил-С-С- алкилцеллюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза, гидрокси-n-пропилцеллюлоза, гидрокси-n-бутилцеллюлоза, гидроксипропилметилцеллюлоза, этилгидроксиэтилцеллюлоза.
Используемый здесь термин «поликарбоксильная кислота» относится к органическим кислотам, имеющим две или более карбоксильные кислотные функциональные группы, таким как дикарбоксильные кислоты, трикарбоксильные кислоты и тетракарбоксильные кислоты, и также включает в себя ангидридные формы таких органических кислот. Дикарбоксильные кислоты включают в себя щавелевую кислоту, малоновую кислоту, малеиновую кислоту, яблочную кислоту, янтарную кислоту, глутаровую кислоту, адипиновую кислоту, пимелиновую кислоту, суберовую кислоту, азелаиновую кислоту, себациновую кислоту, фталевую кислоту, о-фталевую кислоту, изофталевую кислоту, m-фталевую кислоту и терефталевую кислоту.
4
12
Предпочтительные дикарбоксильные кислоты включают в себя С-С-дикарбоксильные кислоты. Подходящие трикарбоксильные кислоты включают в себя лимонную кислоту, изолимонную кислоту, аконитиновую кислоту, и пропан-1,2,3-трикарбоксильную кислоту. Подходящие тетракарбоксильные кислоты включают в себя пиромеллитовую кислоту, 2,3,3′,4′-бифенилтетракарбоксильную кислоту, 3,3′,4,4′-тетракарбоксидифенилэфир, 2,3′,3,4′-тетракарбоксидифенилэфир, 3,3′,4,4′-бензофенонтетракарбоксильную кислоту, 2,3,6,7-тетракарбоксинафталин, 1,4,5,7-тетракарбоксинафталин, 1,4,5,6-тетракарбоксинафталин, 3,3′,4,4′-тетракарбоксидифенилметан, 2,2-бис(3,4-дикарбоксифенил)пропан, бутантетракарбоксильную кислоту и циклопентантетракарбоксильную кислоту. Особенно предпочтительной поликарбоксильной кислотой является лимонная кислота.
Способ может дополнительно включать в себя этапы очистки пригодного в пищу полимерного гидрогеля, например, промыванием пригодного в пищу полимерного гидрогеля в полярном растворителе, таком как вода, в полярном органическом растворителе, например, в спирте, таком как метанол или этанол, или их комбинация. Пригодный в пищу полимерный гидрогель, погруженный в полярный растворитель, набухает и высвобождает любой компонент, такой как побочные продукты или не прореагировавшую поликарбоксильную кислоту, которая не встроилась в полимерную сетку. Вода является предпочтительным полярным растворителем, дистиллированная вода еще более предпочтительна. Объем воды, необходимой для достижения максимальной степени набухания геля, примерно в 10-20 раз больше начального объема самого геля. Важность исключения присутствия любых токсичных побочных продуктов в процессе синтеза становится очевидный, когда принимаются во внимание значительные количества воды, использованные в промышленном масштабе, а также утилизация или повторное использование промывок на этом этапе. Этап промывки пригодного в пищу полимерного гидрогеля может быть повторен более одного раза, с дополнительной сменой используемого полярного растворителя. Например, пригодный в пищу полимерный гидрогель может быть промыт метанолом или этанолом, с последующей промывкой дистиллированной водой, эти два шага дополнительно повторяются один или более раз. Этап промывки может быть также выполнен с использованием смеси вода/метанол, состав которой может варьировать от 1/10 до 10/1 метанол/вода (объем/объем); в одном предпочтительном варианте реализации изобретения эта композиция может состоять из метанола/воды в диапазоне от 1/5 до 5/2; в особенно предпочтительном варианте реализации изобретения этой композиции отношение метанол/ вода будет равно 1/3.
Способ может дополнительно включать в себя высушивание пригодного в пищу полимерного гидрогеля. Этап высушивания проводится погружением полностью набухшего пригодного в пищу полимерного гидрогеля в нерастворитель целлюлозы, этот процесс известен как инверсия фазы. Подходящие перастворители целлюлозы включают в себя, например, ацетон и этанол. Высушивание пригодного в пищу полимерного гидрогеля инверсией фазы приводит к конечной микропористой структуре, которая улучшает абсорбирующие свойства и скорость абсорбции капиллярами пригодного в пищу полимерного гидрогеля. Кроме того, если пористость взаимосвязанная или открытая, то есть микропоры соединяются друг с другом, то кинетика абсорбции/десорбции также будет улучшена. Когда полностью или частично набухший гель погружается в нерастворитель, то гель подвергается инверсии фазы с вытеснением воды до тех пор, пока гель не преципитирует в виде стекловидного твердого тела как белые частицы. Различные промывки в нерастворителе могут быть необходимы для того, чтобы получить высушенный гель за короткий промежуток времени. Например, когда набухший пригодный в пищу полимерный гидрогель погружается в ацетон (в качестве нерастворителя), то образуется смесь вода/ацетон, в которой увеличивается водное содержимое, когда пригодный в пищу полимерный гидрогель высыхает; при определенной концентрации ацетона/воды, например, примерно 55% в ацетоне, вода больше не может выйти из пригодного в пищу полимерного гидрогеля, и поэтому необходимо добавить свежий ацетон к пригодному в пищу полимерному гидрогелю, чтобы продолжить процесс высушивания. Чем выше соотношение ацетон/вода во время высушивания, тем быстрее процесс высушивания. Размер пор (то есть размер пор, произведенных в объемной матрице гидрогеля с помощью специфического способа высушивания) зависит от скорости процесса высушивания и начальных размеров частиц пригодного в пищу полимерного гидрогеля: большие частицы и более быстрый процесс имеют тенденцию увеличивать размер пор. Предпочтительны размеры пор в диапазоне микромасштаба, поскольку поры в этом диапазоне размера обладают сильным капиллярным эффектом, что приводит к более высокой абсорбции и способности удержания воды.
При использовании после стадии промывания со смесью вода/метанол эта процедура инверсии фазы ацетона требует значительно меньшего количества ацетона (до 15 раз меньше). Это происходит потому что гидрогель не набухает полностью в смеси метанол/вода, даже если он все еще промывается от остаточных веществ. Таким образом, объем продукта, высушенного инверсией фазы, значительно меньше и требует меньшего количества нерастворителя для высушивания. В промышленном способе это важно из-за расходов, связанных с использованием ацетона, с учетом показателей контроля безопасности процедуры и утилизации отходов.
Пригодные в пищу полимерные гидрогели изобретения могут также быть высушены другими процессами, такими как воздушное высушивание, высушивание замораживанием или высушивание в термостате. Эти способы высушивания могут использоваться по одному, в комбинации или в комбинации с высушиванием нерастворителем, описанным выше. Например, пригодный в пищу полимерный гидрогель может быть высушен в нерастворителе с последующим воздушным высушиванием, высушиванием замораживанием, высушиванием в термостате или их комбинацией, чтобы удалить любые остаточные количества нерастворителя. Высушивание в термостате можно проводить при температуре примерно 30-45°C до тех пор, пока остаточный нерастворитель не удалится полностью. Вымытый и высушенный пригодный в пищу полимерный гидрогель может затем быть использован как есть или может быть измельчен для получения частиц пригодного в пищу полимерного гидрогеля нужного размера.
Поперечно-сшивающий раствор может дополнительно включать в себя вещество, которое служит молекулярным спейсером. Термин «молекулярный спейсер», используемый здесь, относится к полигидроксилированному веществу, которое хотя не принимает участие в реакции, приводящей к формированию поперечно-сшитой сетки пригодного в пищу полимерного гидрогеля в значительной степени, но приводит к получению пригодного в пищу полимерного гидрогеля с увеличенной абсорбционной емкостью. Хотя в определенных случаях молекулярный спейсер может участвовать в реакции поперечной сшивки в небольшой степени, полагается, что молекулярные спейсеры функционируют стерически блокируя доступ к полимерным цепочкам, таким образом увеличивая среднее расстояние между полимерными цепочками во время реакции поперечной сшивки. Поэтому поперечная сшивка может произойти на участках, которые находятся не близко друг к другу, таким образом увеличивая способность полимерной сетки расширяться и сильно увеличивая абсорбционные свойства пригодного в пищу полимерного гидрогеля. С молекулярной точки зрения, это соответствует уменьшению упругого (энтропического по природе) вклада в набухание полимера, связанному с более низкой степенью поперечной сшивки сети. Подходящие вещества для использования в качестве молекулярных спейсеров в способах согласно изобретению включают в себя моносахариды, дисахариды и сахарные спирты, включая сахарозу, сорбитол, растительный глицерин, маннитол, трегалозу, лактозу, мальтозу, эритритол, ксилитол, лактитол, мальтитол, арабитол, глицерин, изомальтозу и целлобиозу. Молекулярный спейсер предпочтительно включается в поперечно-сшивающий раствор в количестве приблизительно от 0,5 масс.% до 30 масс.% относительно растворителя, или 1-5 кратно относительно полимера, более предпочтительно от 10 масс.% до примерно 20 масс.% и более предпочтительно около 18 масс.% относительно растворителя.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения используемый для синтеза пригодного в пищу полимерного гидрогеля молекулярный спейсер выбран из группы, состоящей из сорбитола, сахарозы и растительного глицерина.
Согласно предпочтительному варианту реализации способа согласно изобретению сорбитол используется в качестве молекулярного спейсера в концентрации в пределах диапазона от 0,5 до 24 масс.% по отношению к весу воды, предпочтительно в пределах диапазона от 10 до 20 масс.% по отношению к весу воды, еще более предпочтительно в концентрации 18 масс.% по отношению к весу воды.
В одном варианте реализации изобретения водный раствор включает в себя ионный полимер, предпочтительно анионный полимер, и наиболее предпочтительно, карбоксиметилцеллюлозу. В особенно предпочтительном варианте реализации изобретения анионным полимером является карбоксиметилцеллюлоза, а поликарбоксильной кислотой - лимонная кислота.
В другом варианте реализации изобретения водный раствор включает в себя ионный полимер и неионный полимер. Ионным полимером является предпочтительно анионный полимер, и более предпочтительно, карбоксиметилцеллюлоза. Неионным полимером является предпочтительно замещенная целлюлоза, более предпочтительно гидроксиалкилцеллюлоза или гидроксиалкилалкилцеллюлоза, и наиболее предпочтительно гидроксиэтилцеллюлоза ("ГЭЦ"). Предпочтительной поликарбоксильной кислотой является лимонная кислота.
Соотношения веса ионных и неионных полимеров (ионный: неионный) может варьировать от приблизительно 1:10 до приблизительно 10:1, предпочтительно от приблизительно 1:5 до приблизительно 5:1. В предпочтительных вариантах реализации изобретения соотношение веса больше чем 1:1, например, от приблизительно 2 до приблизительно 5. В особенно предпочтительном варианте реализации изобретения ионным полимером является карбоксиметилцеллюлоза, неионным полимером - гидроксиэтилцеллюлоза, а соотношение веса (ионного:неионного) составляет примерно 3:1.
В предпочтительном варианте реализации изобретения полная концентрация прекурсора в водном растворе составляет по крайней мере 2 масс.% по отношению к весу воды исходного водного раствора, и количество поперечно-сшивающего агента составляет приблизительно между 0,5 масс.% и 5 масс.% по отношению к весу прекурсора. В данном описании термин "прекурсор" означает гидрофильный полимер(ы), используемый в качестве предшественника для формирования полимерной сетки пригодного в пищу полимерного гидрогеля. В некоторых вариантах реализации изобретения «вес прекурсора» является весом используемого КМЦ или объединенным весом используемых КМЦ и ГЭЦ. Водный раствор предпочтительно включает в себя сорбитол в количестве примерно 18 масс.% по отношению к весу воды.
Реакция поперечной сшивки предпочтительно проводится при температуре между 50°С и 140°С. Изменение температуры во время этой стадии процесса дает возможность увеличить или уменьшить степень поперечной сшивки полимерной сетки. Предпочтительная температура поперечной сшивки примерно равна 80°С. В одном варианте реализации изобретения гидрофильным полимером является карбоксиметилцеллюлоза, предпочтительно в виде натриевой соли ("КМЦNa") (2-10%), поперечно-сшивающим агентом является лимонная кислота (от 0,01 до 5%), молекулярным спейсером является сорбитол (6-24%), температура поперечной сшивки находится в диапазоне от 65 до 100°С и время поперечной сшивки составляет примерно от 0,5 до 48 часов.
Покрытия
В некоторых вариантах реализации изобретения композиция содержит полимерные частицы, каждая из которых содержит покрытые. В других вариантах реализации изобретения композиция содержит полимерные частицы, инкапсулированные с покрытием. В некоторых вариантах реализации изобретения покрытие предотвращает набухание в желудке.
В некоторых вариантах реализации изобретения покрытие предотвращает набухание во рту и/или в пище. Такие покрытия, предпочтительно, расщепляются в желудке, таким образом подвергая пригодный в пищу полимерный гидрогель воздействию содержимого желудка и позволяя пригодному в пищу полимерному гидрогелю набухать в желудке. Подходящие покрытия включают в себя гидроизолирующий слой, содержащий белки, жиры, сахара или их комбинацию.
В некоторых вариантах реализации изобретения композиция содержит пригодный в пищу полимерный гидрогель с энтеросолюбильным покрытием. Термин «энтеросолюбильное покрытие» определен как барьер, применяемый для пероральных лекарственных средств, который управляет локализацией абсорбции в пищеварительной системе. Энтеральный относится к тонкому кишечнику, таким образом энтеросолюбильные покрытия предотвращают высвобождение лекарственного препарата прежде, чем он достигнет тонкого кишечника. Большинство энтеросолюбильных покрытий работают как поверхности, которые устойчивы при очень кислом рН желудка, но быстро расщепляются при менее кислом (относительно более основном) рН. Например, они не будут растворяться в кислой среде желудка (рН от 1,5 до 5), но они растворятся при более высоких рН (рН выше примерно 5,5) среды тонкого кишечника. Используемые для энтеросолюбильных покрытий материалы включают в себя жирные кислоты, воски и шеллак, а также пластмассы. В одном варианте реализации изобретения энтеросолюбильное покрытие не переваривается в желудке пациента, таким образом предотвращая высвобождение пригодного в пищу полимерного гидрогеля в желудке пациента. В одном варианте реализации изобретения энтеросолюбильное покрытие предназначено для растворения в условиях пищеварения через некоторый период времени. Этот период времени составляет предпочтительно не менее 50 минут, таким образом предотвращая высвобождение пригодного в пищу полимерного гидрогеля у пациента до тех пор, пока материал не вышел из желудка.
Примеры таких энтеросолюбильных покрытий включают в себя целлюлозные, виниловые, акриловые производные, ацетатфталатцеллюлозы, поливинилацетатфталат, производные гидроксипропилметилцеллюлозы, такие как гидроксипропилфталат метилцеллюлозы или гидроксипропилацетатсукцинат метилцеллюлозы, сополимеры метилметакрилата и этилакрилата и их комбинации. Более специфичные покрытия включают в себя производные целлюлозы, такие как карбоксиметилэтилцеллюлоза, ацетатфталат целлюлозы, ацетатсукцинат целлюлозы, фталат метилцеллюлозы, фталат гидроксиметилэтилцеллюлозы, фталат гидроксипропилметилцеллюлозы, ацетатсукцинат гидроксипропилметилцеллюлозы и т.п.; поливиниловые производные, включая фталат поливинилового спирта, фталат поливинилбутилата, поливинилацетоацетальфталат и т.п., сополимерную смесь малеиновая кислота-винил, включая поли(винилацетат, ангидрид малеиновой кислоты), поли(винилбутиловый эфир, ангидрид малеиновой кислоты), поли(стирол, моноэфир малеиновой кислоты) и т.п.; акриловый сополимер, включая поли(этилакрилат, метакриловая кислота), поли(стирол, акриловая кислота), поли(метилакрилат, метакриловая кислота, октилакрилат), поли(метакриловая кислота, метилметакрилат) (например Eudragit L и Eudragit S, являющимися торговыми названиями, выпускаемыми компанией «Rohm Pharma», Германия) и их комбинации, а также сходные энтеросолюбильные покрытия, известные в этой технологии.
В некоторых вариантах реализации изобретения композиция содержит покрытие, которое растворяется с заранее определенной скоростью в зависимости от толщины и состава покрытия. Такие покрытия могут включать в себя эфиры целлюлозы (такие как ETHOCEL и METHOCEL и их смеси), Instacoat Aqua (который включает в себя системы на основе НРМС и ПВА) и смеси акриловой смолы (такие как сополимеры этил акрилат/метил метакрилат).
Способы приготовления и применения
В некоторых вариантах реализации изобретения композиция вводится перорально. Подходящие пероральные формы дозировки включают в себя таблетки, капсулы, таблетки в форме капсул, жевательные составы, порошки, сиропы, растворы, суспензии и коктейли. В одном варианте реализации изобретения композиция спрессована с одним или более наполнителями и дополнительно с одним или более рН модифицирующим агентом и/или с одним или более активным агентом для формирования таблетки. Для приготовления таблеток используются подходящие наполнители, включая связующие агенты, консерванты, смазки, антиоксиданты, скользящие вещества, ароматизаторы, красители и их комбинации.
В одном варианте реализации изобретения пригодный в пищу полимерный гидрогель инкапсулирован в твердую или мягкую желатиновую капсулу. Заполненная капсула содержит материал и дополнительно один или более рН модифицирующие агенты и/или активные агенты. Заполняющий материал капсул может также содержать один или более наполнителей. Как описано выше, подходящие наполнители включают в себя пластификаторы, ингибиторы кристаллизации, увлажняющие вещества, агенты заполнения объема, агенты, предотвращающие агрегацию, солюбилизаторы, скользящие вещества, агенты, усиливающие биодоступность, растворители и их комбинации, но не ограничиваются ими.
В некоторых вариантах реализации изобретения буферный агент выбран из группы, состоящей из бикарбоната аммония, карбоната аммония, гидроксида аммония, бикарбоната натрия, карбоната кальция, гидроксида кальция, карбоната магния, бикарбоната калия, карбоната калия, гидроксида калия, карбоната натрия, гидроксида натрия или их комбинации.
Другие примеры наполнителей включают в себя сахариды, такие как сахароза, лактоза, маннит или глюкоза, крахмал, частично пептизированный крахмал, кристаллическая целлюлоза, фосфат кальция, сульфат кальция, осажденный карбонат кальция, гидратированый диоксид кремния и т.п. Примеры связующих веществ включают в себя олигосахарид или сахарный спирт, такой как сахароза, глюкоза, лактоза, мальтоза, сорбитол или маннит; полисахарид, такой как декстрин, крахмал, альгинат натрия, каррагинан, гуаровая смола, гуммиарабик или агар; натуральный полимер, такой как трагакант, желатин или клейковина; производное целлюлозы, такое как метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, карбоксиметилцелюлоза натрия или гидроксипропилметилцеллюлоза; синтетический полимер, такой как поливинилпирролидон, поливиниловый спирт, поливинилацетат, полиэтиленгликоль, полиакриловая кислота или полиметакриловая кислота; и т.п.
В некоторых вариантах реализации изобретения форма дозировки включена в полутвердое основание, чтобы сформировать ложкообразную систему доставки. Полутвердая основа может содержать пектин, гуаровую смолу, ксантановую смолу, гуммиарабик, аравийскую камедь, смолу плодов рожкового дерева, каррагинановую смолу, альгиновую кислоту, гидроколлоид подорожника, смолу овсяной муки, смолу рисовой муки, глюкоманнан, трагакантовую смолу, смолу карай, тапиоку, кукурузный крахмал, целлюлозную смолу, агар, желатин, полиакрилаты, полисахариды, поливинилпирролидоны, пирролидоны, полиолы, коллаген, полиэтиленгликоли, поливиниловые спирты, полиэфиры, полиэстеры, натуральные или синтетические масла, вазелиновое масло, пчелиный воск, силиконовые воски, натуральные или модифицированные жирные кислоты или их комбинации. Дополнительно могут использоваться вязкие фруктовые пюре, такие как яблочное, из чернослива, абрикосовое, грушевое, ананасное, банановое, виноградное, земляничное, малиновое, ежевичное, из бойзеновой ягоды, из логановой ягоды, ежевичное, из крыжовника, клюквенное, из тутовой ягоды, из ягод бузины, черничное, инжирное, смородиновое, из киви.
В некоторых вариантах реализации изобретения формы дозировки могут быть в пакетике, содержащем полимерный порошок, который может употребляться как сухой порошок или может быть добавлен в полутвердое основание, чтобы сформировать ложкообразную систему доставки. Полутвердое основание может содержать вязкое фруктовое пюре, такое как яблочное, из чернослива, абрикосовое, грушевое, ананасное, банановое, виноградное, земляничное, малиновое, ежевичное, из бойзеновой ягода, из логановой ягоды, ежевичное, из крыжовника, клюквенное, из тутовой ягоды, из ягод бузины, черничное, инжирное, смородиновое, из киви или их комбинации.
В некоторых вариантах реализации изобретения композиция вводится с препаратом для подавления аппетита или средством против ожирения. В определенных вариантах реализации изобретения композиция и препарат для подавления аппетита или средство против ожирения вводятся одновременно или последовательно (то есть в отдельных составах). В некоторых вариантах реализации изобретения композиция и препарат для подавления аппетита, пищевой продукт против ожирения или средство против ожирения находятся в одном и том же составе.
В некоторых вариантах реализации изобретения препарат для подавления аппетита, пищевой продукт против ожирения или средство против ожирения выбраны из группы, состоящей из сибутрамина гидрохлорида, орлистата, римопабанта, бензфетамина, диэтилпропиона, мазиндол фендиметразина, фентермина, амфетамина, фенфлурамина, налметрена,
Фентермина (Fastin, Adipex, Ionamin и другие); Диэтилпропиона (Tenuate); Сибутрамина (Meridia, Reductil); Римонабанта (Acomplia); бенфлуорекса; бутенолида; диэтилпропиона; FG 7 142 (N-метил-9Н-пиридо[5,4-b]индол-3-карбоксамид); норпсевдоэфедрина; фенметразина; фенметрина; фенилпропаноламина; пироглютамил-гистидил-глицина; сибутрамина; фендиметразина (Prelu-2, Bontril); Бензфетамина (Didrex); Оксинтомодулина; Метилфенидата; (Concerta) (Ritalin); Фенилэтиламина (Trimspa), пирувата, DHEA, В-гидрокси-В-метилбутирата, хитозана, конъюгированной линолевой кислоты (CLA), hoodia gordonii, горького апельсина (citrus naringin), кавы, узниевой кислоты, эфедры и их комбинации.
В некоторых вариантах реализации изобретения композиция вводится в связи с хирургическим вмешательством для лечения ожирения. В некоторых вариантах реализации изобретения хирургическое вмешательство для лечения ожирения выбрано из группы, состоящей из перевязки желудка, хирургического шунтирования желудка, внутрижелудочного баллона, имплантированного желудочного стимулятора и электрической стимуляции желудка.
ПРИМЕРЫ
В данном разделе описанное в общих чертах изобретение, для более легкого понимания будет представлено на следующих примерах, которые приводятся только с целью проиллюстрировать некоторые аспекты и варианты реализации данного изобретения, а не для его ограничения.
Пример 1. Поперечная сшивка лимонной кислотой смесей карбоксиметилцеллюлозы / гидроксиэтилцеллюлозы.
Материалы
Карбоксиметилцеллюлозы натриевая соль (КМЦNa, MW 700 kDa, DS 0,9, пищевой марки), ГЭЦ (MW 250 kDa, пищевой марки) была приобретена у компании «Eigenmann e Veronelli S.p.A.», г.Милан, а лимонная кислота поставлялась компанией «Dal Cin S.p.A. Sesto San Giovanni», г.Милан и использовалась непосредственно после получения.
Синтез пригодного в пищу полимерного гидрогеля
Образцы пригодного в пищу полимерного гидрогеля были получены в результате реакции КМЦNa и ГЭЦ с лимонной кислотой, выступающей в качестве поперечно-сшивающего агента в воде в соответствии со следующей процедурой. Сначала полимер в суммарной концентрации, равной 2 масс.% воды, используемый в смеси КМЦNa и ГЭЦ с массовым соотношением 3/1, растворили при комнатной температуре в дистиллированной воде, осторожно перемешивая до получения прозрачного раствора. (Плохая эффективность поперечной сшивки регистрировалась только если использовалась КМЦNa, из-за электростатического отталкивания между цепочками полиэлектролитов и высокой степени замещения гидрофильных групп в положении С6, наиболее активном положении [1]). Растворение КМЦNa происходит медленно при заданной концентрации, поэтому сначала в воду добавляется ГЭЦ до получения прозрачного раствора со слегка повышенной вязкостью через пять минут. Затем, при постоянном помешивании добавляется КМЦNa до получения прозрачного раствора (24 ч) со значительным повышением вязкости. В конце добавляется лимонная кислота (ЛК) в различной концентрации (1,75%, 2,75%, 3,75%, 10% и 20% в массовом соотношении к полимеру) для получения образцов с различной степенью поперечной сшивки. Этот финальный раствор использовался для формирования образцов 10 мм толщины. Все образцы были сначала предварительно высушены при температуре 30°С в течение 24 часов, для удаления значительной доли абсорбированной воды и затем инкубировались при температуре 80°С для реакции поперечной сшивки (в течение 24 ч с промежуточным контролем).
Кроме того, образцы, содержащие чистый ГЭЦ или чистые образцы КМЦNa, поперечно-сшитые с ЛК, также были приготовлены точно при тех же экспериментальных условиях, применяемых для получения смесей ГЭЦ/КМЦNa.
-1
Все образцы были проанализированы FT IR измерениями. Образование ангидрида было детектировано мониторингом характеристических полос расширения в карбонильном регионе при 1738 см [2].
Коэффициент набухания
-5
В данном примере, измерения равновесного набухания для всех образцов проводились в дистиллированной воде с использованием микромассов фирмы «Sartorius» (чувствительность прибора 10). Коэффициент набухания измеряли взвешиванием образцов перед и после их погружения в дистиллированную воду на 24 часа. Коэффициент набухания (SR) рассчитывается следующим образом:
s
d
d
SR = (W-W)/W,
s
где, W - вес набухшего пригодного в пищу полимерного гидрогеля, a Wd - вес сухого образца [3].
Дифференциальный сканирующий калориметр.
e
Для термального анализа был использован дифференциальный сканирующий калориметр (Mettler-Toledo 822 Mettler ДСК). Диапазон температуры сканирования и скорость нагрева составляли 10-200°С и 5°С/мин, соответственно.
Был использован следующий термический цикл: (1) нагревание в диапазоне 10-100°С; (2) изотерма при температуре 100°С в течение 3 минуты; (3) охлаждение от 100°С до 10°С; (4) нагревание от 10°С до 200°С; (5) изотерма при температуре 200°С; (6) охлаждение до комнатной температуры. Пустая кювета использовалась в качестве эталона.
ИК Фурье - спектроскопия
-1
-1
-1
Все ИК Фурье-спектры записывались на спектрометре «JASCO FT IR 660 plus», оснащенном кристаллом для образца неполного внутреннего отражения (ATR). Образцы пленок были использованы прямо на ATR кристалле для образца с разрешением 4 см, по 300 сканов, в диапазоне поглощения от 4000 см до 600 см.
Результаты и обсуждения
Термограмма дифференциального сканирующего калориметра (ДСК) чистой лимонной кислоты показала максимум при температуре около 60°С, относящийся к процессу потери воды, связанному с дегидратацией ангидрида. Полная деградация, начинающаяся при температуре около 160°С, наблюдалась при втором сканировании.
ДСК анализ порошков чистой КМЦNa и ГЭЦ показал, что некоторое количество воды все еще остается абсорбированным полимерами. Выше 100°С был детектирован возможный пик деградации КМЦNa. Как КМЦNa, так и ГЭЦ показали термическую стабильность при температуре ниже 100°С.
g
Полученная пленка пригодного в пищу полимерного гидрогеля с соотношением КМЦNa/ГЭЦ 3:1 и 3,75 масс.% полимера лимонной кислоты была проанализирована с помощью ДСК после высушивания образца при температуре 30°С в течение 24 часов и измельчения его в порошок. Были обнаружены большие эндотермические пики, связанные с испарением воды, вызванным процессом ангидрификации. Небольшой экзотермический пик, накладывающийся на первый большой пик, относился к этерификации. Во втором цикле нагревания наблюдалось стеклование (T = 38°C) смеси поперечно-сшитой целлюлозы.
После этого предварительного ДСК исследования различные образцы пригодного в пищу полимерного гидрогеля были приготовлены согласно следующим процедурам. После смешивания реагентов в воде реакционный сосуд инкубировали при температуре 30°С в течение 24 часов в сухих условиях для удаления воды. Затем температуру повысили свыше 60°С по сравнению с результатами первого ДСК анализа, чтобы получить ангидрид лимонной кислоты. Ангидрид пригоден для поперечной сшивки с гидроксильной группой целлюлозы при температуре выше 60°С. Различные условия реакции, такие как температура и концентрация ЛК, использовались для оптимизации процедуры синтеза; результаты суммированы в Таблице 1. Для процесса поперечной сшивки были опробованы две различные температуры реакции (80°С и 120°С). Температура реакции 80°С была впоследствии выбрана или для предотвращения риска деградации, или для ограничения скорости реакции. Кроме того, очень высокие концентрации (10 масс.% и 20 масс.%) ЛК изначально использовались для усиления ИК Фурье-сигналов, связанных с каждой стадией химической реакции. Сначала чистые КМЦNa и ГЭЦ были поперечно сшиты с ЛК для исследования взаимодействия с каждым полимером.
Таблица 1.
Влияние различных условий реакции, таких как температура и концентрация ЛК, на процедуру синтеза.
Маркировка реакции
Исходный полимер
Концентрация лимонной кислоты (масс.% полимера)
А10
КМЦNa
10
А20
КМЦNa
20
В10
ГЭЦ
10
В20
ГЭЦ
20
С10
КМЦNa/ГЭЦ (3/1)
10
С20
КМЦNa/ГЭЦ (3/1)
20
-1
-1
-1
-1
Был записан ИК Фурье-спектр лимонной кислоты, реакционной смеси А10 перед нагреванием и реакционной смеси А10 через 5 часов после нагревания. В спектре ЛК можно наблюдать сильную центрированную полосу С = 0 при 1715 см из-за присутствия карбоксильной кислоты. ИК Фурье-спектр образца А10 показывает сильную полосу поглощения при 1590 см, характерную для целлюлозы [4]. После нагревания все еще наблюдается полоса поглощения при 1590 см и появляется новая дополнительная полоса при 1738 см.
-1
-1
-1
Ангидриды показывают две колебательные полосы в карбонильном регионе около 1758 см и 1828 см. Высокочастотная полоса была наиболее интенсивной у ациклических ангидридов. Циклические ангидриды показывают низкую частоту (С = 0 полоса растяжения) сильнее, чем колебательная полоса при высокой частоте [2]. Новый пик, наблюдавшийся при 1738 см, может относиться к характеристической полосе растяжения карбонильной группы при низких частотах, связанной с формированием ангидрида, промежуточной реакцией, необходимой для реакции ЛК с гидроксильными группами целлюлозы. В отличие от этого карбонильный пик, ожидаемый при высокой частоте, не детектировался вероятно из-за его слабой интенсивности.
-1
-1
Был записан ИК Фурье-спектр лимонной кислоты, реакционной смеси В10 и реакционной смеси В10 через 6,5 часов после нагревания. Спектр ГЭЦ снова показал полосу при 1590 см до и после нагревания, в то время как поглощение карбонильной группы при 1738 см появилось только после нагревания при температуре 80°С, как наблюдалось у образца А10.
Хотя ИК Фурье-анализ обычно считается качественным способом, исследование литературных источников, выполненное Coma и соавторами, показало, что инфракрасная спектроскопия может быть использована в первом приближении для определения скорости поперечной сшивки в поперечно-сшитых производных целлюлозы [4]. Начиная с этого допущения, оценка различных реакций, приводящих к поперечной сшивке при температуре 80°С, прослеживалась записью ИК Фурье-спектра при разном времени реакции.
-1
-1
1
2
1
2
1
2
1
2
Площадь под пиком поглощения при 1738 см (А), представляющим карбонильную группу, сравнивали с площадью эталонного пика поглощения при 1592 см (А), который является инвариантным во всех спектрах. Изменение ангидрида оценивалось по соотношению A/A в качестве функции времени реакции. ИК Фурье-спектры полимера КМЦNa, в случае когда реакция проводилась при температуре 80°С с 20%-ной или 10%-ной лимонной кислотой, показывали одинаковую тенденцию в обоих случаях: ангидридная полоса, отсутствующая до нагревания, достигает максимума почти сразу же после первого часа, через три часа постепенно снижается к минимуму, затем вновь повышается, достигая второго максимума через 5 часов. Наконец, через 24 часа замедленный процесс уменьшает площадь полосы до нуля. Стоит отметить, что в спектре реакции 20%-ной лимонной кислоты второй максимум соответствует величине (А/А = 0,10) выше, чем тот же параметр, наблюдаемый при реакции с 10%-ной лимонной кислотой (A/A = 0,04).
-1
-1
-1
Предполагается, что пик при ок. 1738 см связан с процессом ангидрификации с участием свободной лимонной кислоты, с последующей первой конденсацией этого ангидрида с гидроксильной группой целлюлозы, приводящей в результате к потере ангидридных карбонильных групп. Затем вновь сшитые карбоксильные группы полимера способны снова образовывать ангидрид, приводя к увеличению пика 1738 см. Вторая реакция этого ангидрида отвечает за поперечную сшивку и приводит к дальнейшей элиминации ангидридной группы и, следовательно, уменьшению пика при 1738 см. Эта вторая реакция медленнее, поскольку включает в себя группы, связанные с большими макромолекулами и, следовательно, более заблокированные стерически, что также сообщалось для других процессов поперечной сшивки целлюлозы [1]. Этот возможный механизм реакции подтвержден измерениями набухания.
ИК Фурье-спектры также записывали для реакций полимера ГЭЦ, когда реакция проводилась при температуре 80°С либо с 20%-ной, либо с 10%-ной лимонной кислотой. В случае с 10%-ной лимонной кислотой интенсивность ангидридной полосы увеличилась от 0 до 0,098 при увеличении времени реакции от 0 до 6,5 часов и упала до 0, когда время реакции достигло 24 часов. Реакция с 20%-ной лимонной кислотой имеет ту же тенденцию и показала максимальное значение, равное 0,079 за 5 часов. Допуская, что механизм поперечной сшивки подобен описанному для КМЦNa, вероятно реакции ангидрификации и этерификации накладываются друг на друга. Поэтому в ИК Фурье-спектрах полимер ГЭЦ дает один пик. Этот последний результат соответствует заключению, сделанному Xie и его коллегами [5]. Они изучили степень замещения с помощью оценки поперечно-сшивающей этерификации крахмала, термически реагирующего с лимонной кислотой при разной продолжительности реакции, и обнаружили максимум через несколько часов.
Для объяснения данных, наблюдаемых во всех ИК Фурье-спектрах, записанных через 24 часа, мы утверждаем, что полимер является нестабильным при инкубации в термостате в течение 24 часов из-за не идентифицированных вторичных реакций. Эти реакции модифицируют структуру полимера и также включают в себя функции эфира. Xie и соавторы [5] предположили, что степень замещения достигала максимума, а затем снижалась, поскольку происходила диссоциация замещающих групп из крахмала, когда продолжительность реакции превышала 7 часов.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
В результате, смеси полимеров КМЦNa и ГЭЦ были поперечно сшиты. Полимер КМЦNa содержит функциональные группы карбоксильной кислоты, которые увеличивают процесс изменения объема в растворе. Предварительная попытка соответствовать ходу реакции была неудачной. Вероятно, что рассматриваемые реакционные системы очень сложные и имеют много различных реакционных центров. Были сопоставлены ИК Фурье-спектры образца реакции С10, зарегистрированный до реакции, через 8 часов и через 13 часов нагревания. Реакция образца С20 показала сходный спектр. Кроме того, стоит отметить, что при использовании смесей полимеров (С10 и С20) широкий сигнал появился около 1715 см, особенно при использовании в реакции лимонной кислоты более высокой концентрации. На самом деле, при 20%-ной концентрации лимонной кислоты, сигнал ЛК при 1715 см был очень широким и частично перекрывал сигнал полимера при 1590 см, делая четкую полосу не детектируемой. Однако следует отметить, что полоса около 1715 см была детектируемой до нагревания. Реакционная смесь С10 до нагревания показывала полосу около 1715 см, покрывающую регион поглощения, прослеживаемый ранее для других реакций (А10, А20, В10, В20); таким образом, точная интерпретация карбонильной группы затруднена. Однако другие два спектра выявили, что эта полоса сдвинулась к более высоким длинам волн во время реакции поперечной сшивки. В частности, ИК Фурье-спектр показал широкую полосу в диапазоне 1711 см - 1736 см через 8 часов, а через 13 часов эта полоса проявилась более четко в виде узкой полосы полосы поглощения при 1737 см, типичной для карбонильных групп. Спектры реакции С20 дали сходные результаты. Хотя количественный анализ карбонильных групп невозможен при реакции перекрестной сшивки образцов С10 и С20, допускается оценка карбонильного пика, сходная с той, которая наблюдалась для реакции чистых полимеров.
Также прослеживались кинетики поперечной сшивки с помощью изучения поведения набухания во время развития реакции. Коэффициент набухания вычислялся как функция времени реакции для: (a) КМЦNa с лимонной кислотой 10% или 20%-ной концентрации; (б) ГЭЦ с лимонной кислотой 10% или 20%-ной концентрации; (в) смеси KMЦNa и ГЭЦ (3/1) с лимонной кислотой 10% или 20%-ной концентрации; (г) смеси КМЦNa и ГЭЦ (3/1) с лимонной кислотой 1,75%, 2,75% или 3,75%-ной концентрации.
Результаты показали, что набухание КМЦNa, поперечно-сшитой с 10%-ной лимонной кислотой, были выше, чем у ГЭЦ с лимонной кислотой той же концентрации через 24 часа. Когда 20%-ную лимонную кислоту добавляли к целлюлозе, форма кривой набухания была одинаковой у ГЭЦ и КМЦNa. В этом случае, в ходе процесса поперечной сшивки набухание образцов на основе ГЭЦ снижается быстрее, чем у КМЦNa образцов. Это указывает на более высокую скорость реакции между лимонной кислотой и ГЭЦ. Это вероятно происходит потому, что ГЭЦ менее стерически заблокирована, чем КМЦNa, и может вступать в реакцию намного быстрее чем цепочки КМЦNa. Кроме того, ГЭЦ имеет больше ОН-групп, чем КМЦNa (3 против 2) в каждой повторяющейся едини0це.
Максимальное набухание образца смеси КМЦ/СА наблюдалось в начале образования геля, через три часа. Это соответствует началу второй реакции этерификации. В то время как процесс поперечной сшивки увеличивается, соответствующая равновесная абсорбция воды уменьшается, подтверждая результаты ИК Фурье-анализа.
Такой же механизм реакции может допускаться для чистой ГЭЦ, поперечно-сшитой с лимонной кислотой. В этом случае, однако, общее поведение немного отличается из-за отсутствия карбоксильных групп, связанных с полимером. Результаты экспериментов набухания должны интерпретироваться с учетом того факта, что лимонная кислота вводит сильно гидрофильные карбоксильные группы, которые отвечают за образование полиэлектролитной сетки. Следовательно, абсорбция воды значительно увеличивается когда карбоксильные группы связываются сначала с цепочками ГЭЦ, а затем с гелевой сеткой. Этот эффект не применим к пригодного в пищу КМЦ полимерному гидрогелю поскольку большое количество -СООН групп, связывающихся с цепочками КМЦNa, уже связано с сеткой в начале образования геля. Такая же тенденция наблюдалась для смесей ГЭЦ и КМЦNa.
Для практического использования был получен пригодный в пищу полимерный гидрогель, обладающий высокой степенью набухания с пониженной концентрацией лимонной кислоты (1,75 масс.%, 2,75 масс.% и 3,75% полимера). При концентрации лимонной кислоты 3,75% коэффициент набухания может достигать значения 900. Этот пригодный в пищу полимерный гидрогель после набухания характеризуется соответствующей жесткостью и способен сохранять форму синтезирующей кюветы. Ранее синтезированные [1] пригодные в пищу полимерные гидрогели с использованием в качестве перекрестно-сшивающего агента дивинил сульфона, токсического реагента, и таким же соотношением между КМЦNa и ГЭЦ, характеризовались максимальным коэффициентом набухания 200. В этом случае, более высокий коэффициент набухания получался при использовании экологически приемлемого поперечно-сшивающего агента. При концентрациях лимонной кислоты ниже 1,75% наблюдается слабая поперечная сшивка, связанная с недостаточным механическим свойством.
Заключение
Прежде всего эта работа показывает, что лимонная кислота может успешно использоваться в качестве перекрестно-сшивающего агента в смесях КМЦNa/ГЭЦ. Механизм этерификации, основанный на промежуточном образовании ангидрида, предлагается для объяснения реакции целлюлозных полимеров с лимонной кислотой.
Реакция перекрестной сшивки для системы КМЦNa/ГЭЦ наблюдалась либо с помощью ДСК анализа, либо при помощи ИК Фурье-анализа. Развитие различных реакций перекрестной сшивки отслеживалось с помощью ИК Фурье-спектров, собранных в разное время реакции с использованием избытка лимонной кислоты. Коэффициент набухания, прослеженный в разное время реакции, подтвердил путь реакции, вычисленный по данным ИК Фурье-анализа. Оптимальная степень набухания (в 900 раз) для практического применения была достигнута при использовании низких концентраций лимонной кислоты. Пригодный в пищу полимерный гидрогель, полученный способом, описанным выше в Примере 1, обладает большим преимуществом в снижении основных и производственных издержек и отсутствием образования токсичных промежуточных продуктов в процессе синтеза.
Пример 2. Поперечно-сшитая лимонной кислотой карбоксиметилцеллюлоза и смеси карбоксиметилцеллюлозы / гидроксиэтилцеллюлозы в присутствии молекулярного спейсера.
Материалы и способы
-5
Все использованные материалы были предоставлены компанией «Aldrich», Италия, и использовались без какой либо дополнительной модификации. Для определения параметров были использованы следующие приборы - сканирующий электронного микроскопа (SEM) JEOL JSM-6500F, весы Sartorius с точностью 10 г, мешалки Isco и реометр ARES; кроме того, использовалась стандартная лабораторная стеклянная посуда, шкафы и счетчики для стандартного синтеза.
Пригодные в пищу полимерные гидрогели были приготовлены поперечной сшивкой водных растворов натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦNa) и гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ), с использованием лимонной кислоты (ЛК) в качестве поперечно-сшивающего агента и сорбита в качестве молекулярного спейсера. Композиция геля задана номинальным количеством реагентов в исходном растворе. Параметры, используемые для определения композиции, следующие:
(i) массовая концентрация прекурсора (%) = общая масса полимеров в растворе (например, КМЦNa+ГЭЦ) (г) × 100/масса воды (г);
(ii) массовое соотношение полимера КМЦNa к ГЭЦ = масса полимера КМЦNa (г) в растворе / масса полимера ГЭЦ в растворе (г);
(iii) массовая концентрация поперечно-сшивающего агента (лимонной кислоты) (%) = масса лимонной кислоты в растворе (г) × 100 / масса прекурсора в растворе (г); и
(iv) массовая концентрация молекулярного спейсера (например, сорбита) (%) = масса молекулярного спейсера (г) × 100 / масса воды (г).
Лабораторные тесты показали, что полимеры с концентрацией ниже 2% и лимонная кислота с концентрацией ниже 1% не дают реакции поперечной сшивки или же приводят к синтезу геля, имеющего очень плохие механические свойства. С другой стороны, концентрации лимонной кислоты выше 5% значительно повышают степень поперечной сшивки и стабилизации полимера, но чрезмерно уменьшают абсорбционные свойства сверхабсорбирующего геля.
Поскольку КМЦNa является разновидностью ионного полимера, то это делает возможным получать необходимые абсорбционные свойства регулированием массового соотношения натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦNa) к гидроксиэтилцеллюлозе (ГЭЦ). Было обнаружено, что массовое соотношение КМЦNa/ГЭЦ в диапазоне между 0/1 и 5/1, предпочтительно между 1/1 и 3/1, позволяет синтезировать пригодный в пищу полимерный гидрогель, имеющий оптимальные абсорбционные свойства.
Примеры, связанные с синтезом различных пригодных в пищу полимерных гидрогелей в соответствии с данным изобретением, отличающиеся друг от друга по массовому проценту (масс.%) содержания лимонной кислоты и по составу полимерного прекурсора, приведены ниже.
Приготовление пригодного в пищу полимерного гидрогеля А: В стакан с дистиллированной водой добавили сорбит в концентрации 4 масс.% и перемешали до полного его растворения в течение нескольких минут. Добавили полимеры КМЦNa и ГЭЦ в общей концентрации 2 масс.% с массовым соотношением КМЦNa/ГЭЦ = 3/1. Размешивание продолжалось до полного растворения всего добавленного количества полимера и до получения прозрачного раствора. На этой стадии в раствор добавляется лимонная кислота в концентрации 1 масс.%, после чего вязкость раствора значительно увеличилась. Полученный раствор перелили в сосуд и высушили при температуре 48°С в течение 48 часов. Во время этого процесса макромолекулы стабилизируются в полимерной сетке, которая является основой пригодного в пищу полимерного гидрогеля. В конце процесса поперечной сшивки пригодный в пищу полимерный гель был промыт в дистиллированной воде в течение 24 часов при комнатной температуре. Во время этой фазы пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает и таким образом выделяет примеси. Для достижения максимальной степени набухания и выведения всех примесей было выполнено как минимум 3 промывки в дистиллированной воде во время 24-часового этапа промывки. В конце этапа промывки, пригодный в пищу полимерный гидрогель был высушен инверсией фазы в ацетоне (в качестве нерастворителя) до тех пор, пока не был получен стекловидный белый преципитат. Преципитат был затем помещен в термостат при 45°С на 3 часа для удаления любых остаточных следов ацетона.
Приготовление пригодного в пищу полимерного гидрогеля В: пригодный в пищу полимерный гидрогель В был приготовлен также, как и пригодный в пищу полимерный гидрогель А, за исключением того, что полимер был сделан только из КМЦNa и то, что концентрация КМЦNa составляет 2 масс.% по весу по отношению к весу дистиллированной воды.
Приготовление пригодного в пищу полимерного гидрогеля С: пригодный в пищу полимерный гидрогель С был приготовлен также, как и пригодный в пищу полимерный гидрогель В, за исключением того, что концентрация лимонной кислоты составляла 0,04 масс.% по весу по отношению к весу дистиллированной воды.
Приготовление пригодного в пищу полимерного гидрогеля D: пригодный в пищу полимерный гидрогель D был приготовлен также, как и пригодный в пищу полимерный гидрогель В, за исключением того, что концентрация лимонной кислоты составляла 0,01 масс.% по весу по отношению к весу дистиллированной воды.
Приготовление пригодного в пищу полимерного гидрогеля D: пригодный в пищу полимерный гидрогель D был приготовлен также, как и пригодный в пищу полимерный гидрогель В, за исключением того, что концентрация лимонной кислоты составляла 0,5 масс.% по весу по отношению к весу КМЦNa.
Приготовление пригодного в пищу полимерного гидрогеля Е: пригодный в пищу полимерный гидрогель Е был приготовлен также, как и пригодный в пищу полимерный гидрогель А, за исключением того, что полимеры КМЦNa и ГЭЦ были добавлены в суммарной концентрации, равной 4 масс.% по весу по отношению к весу дистиллированной воды
Приготовление пригодного в пищу полимерного гидрогеля F: пригодный в пищу полимерный гидрогель F был приготовлен также, как и пригодный в пищу полимерный гидрогель А, за исключением того, что концентрация лимонной кислоты составляла 0,5 масс.% по весу по отношению к суммарному весу КМЦNa и ГЭЦ.
Измерение абсорбции.
Абсорбционные свойства пригодных в пищу полимерных гидрогелей, как описано выше, были протестированы измерением абсорбции в дистиллированной воде. Измерение абсорбции главным образом состояло в погружение сухого образца, полученного на этапе сушки, в дистиллированную воду для набухания до достижения равновесного состояния.
Абсорбционные свойства были оценены на основе его коэффициента набухания (SR), рассчитанного по формуле, указанной выше. Для минимизации влияния погрешностей эксперимента каждый тест проводился с тремя образцами каждого вида геля, а среднее значение результатов трех измерений было принято как эффективное значение.
Было отобрано по три сухих образца каждого тестируемого геля, каждый из которых имел разный вес и размеры. После записи веса образцы погрузили в достаточное количество дистиллированной воды для набухания при комнатной температуре. После достижения равновесного состояния через 24 часа образцы еще раз взвесили для определения коэффициента набухания.
Результаты
В Таблице 2 показаны некоторые из полученных результатов, для сравнения коэффициента набухания при различной концентрации реагентов и времени поперечной сшивки (6 часов, 13 часов, 18 часов и 24 часа).
Таблица 2.
Влияние концентрации вещества и времени поперечной сшивки на коэффициент набухания.
Образец
КМЦNa
ГЭЦ
Лимонная кислота
Сорбит
Время поперечной сшивки / коэффициент набухания
-
75%
25%
-
-
6 часов
13 часов
18 часов
24 часа
g16
2%
0,02%
4%
nr
50
30
20
g17
4%
0,04%
4%
nr
25
10
5
nr = нет поперечной сшивки
Повышение концентрации полимера оказывает негативное влияние на свойства набухания конечного продукта, а время сшивания значительно влияет на абсорбционные свойства.
Таким образом, были проведены дополнительные эксперименты с постоянной концентрацией полимера 2% и с разной концентрацией лимонной кислоты. Результаты показаны в Таблице 3.
Таблица 3.
Влияние разной концентрации лимонной кислоты
Образец
КМЦNa
ГЭЦ
Лимонная кислота
Сорбит
Время поперечной сшивки / коэффициент набухания
-
75%
25%
-
-
6 часов
13 часов
18 часов
24 часа
g21
2%
0,04%
4%
40
25
20
10
g22
2%
0,02%
4%
Nr
50
30
20
g23
2%
0,01%
4%
Nr
nr
50
30
nr = нет поперечной сшивки
Таблица 3 показывает, что образец g22 с концентрацией лимонной кислотой 0,02% обладает наилучшим коэффициентом набухания.
Были проведены дополнительные эксперименты, в которых ГЭЦ был полностью удален из раствора. Это должно приводить к большей гидрофильности пригодного в пищу полимерного гидрогеля и таким образом приводить к увеличению соотношения набухания. Таблица 4 показывает некоторые из полученных результатов.
Таблица 4.
Влияние удаления ГЭЦ на коэффициент набухания.
Образец
КМЦNa
ГЭЦ
Лимонная кислота
Сорбит
Время поперечной сшивки / коэффициент набухания
100%
0%
-
-
6 часов
13 часов
18 часов
24 часа
g30
2%
0,04%
4%
Nr
85
55
30
g31
2%
0,02%
4%
Nr
100
75
40
g32
2%
0,01%
4%
Nr
nr
70
50
nr = нет поперечной сшивки
Наибольший коэффициент набухания связан со временем поперечной сшивки 13 часов и концентрацией лимонной кислоты 0,02%. Кроме того, более высокие концентрации лимонной кислоты в комбинации с более коротким временем поперечной сшивки приводят к одинаково удовлетворительным коэффициентам набухания, несмотря на то, что реакция протекает очень быстро и контроль затруднен.
Наконец, была оценена возможность увеличения коэффициента набухания за счет создания пористости материала для улучшения абсорбционных свойств. Для этой цели образец g31, прошедший реакцию поперечной сшивки в течение 12 часов, оставили набухать в дистиллированной воде в течение 24 часов и затем высушили инверсией фазы в ацетоне. С помощью этого способа был получен коэффициент набухания 200.
Пример 3. Набухание пригодного в пищу полимерного гидрогеля в искусственной желудочной жидкости (SGF) и в смеси SGF/вода.
Этот пример описывает оценку сверхабсорбирующего пригодного в пищу полимерного гидрогеля, обозначенного как пригодный в пищу полимерный гидрогель В в Примере 2, в экспериментах набухания и сжатия в различных средах in vitro при температуре 37°С.
Кинетика набухания (в 100% искусственной желудочной жидкости (SGF) при температуре 37°С 100 мг сухого пригодного в пищу полимерного гидрогеля было погружено в искусственную желудочную жидкость ("SGF") или в смесь SGF и воды и оставлено для набухания до достижения равновесного состояния. SGF была приготовлена в соответствии с правилами USP - «Процедуры приготовления тестируемого раствора». Коэффициент набухания в каждой жидкости был определен в разные точки времени. Результаты приведены в Таблицах 5 и 6.
Таблица 5.
Набухание сухого пригодного в пищу полимерного гидрогеля В в 100% SGF при 37°С.
Время набухания (мин)
Коэффициент набухания (г/г)
15
15,4
30
15,6
60
16,2
90
15,1
Таблица 6.
Набухание сухого пригодного в пищу полимерного гидрогеля В в смеси SGF и воды (1:8) при 37°С.
Время набухания (мин)
Коэффициент набухания (г/г)
15
78,8
30
84,6
60
88,6
90
79,3
Кинетика сжимания (с добавлением SGF) при 37°С
Для воспроизведения эффекта переваривания в гидратированном пригодном в пищу полимерном гидрогеле, то есть в набухшем пригодном в пищу полимерном гидрогеле, описанном выше (Таблица 6, SGF/вода) через 60 минут, 100%-ную SGF медленно добавляли для сжатия частиц геля. Коэффициент набухания контролировали как функцию суммарного объема добавленной SGF. Результаты приведены в Таблице 7.
Таблица 7.
Коэффициент набухания как функция суммарного объема добавленной SGF.
Добавленная SGF (мл)
Коэффициент набухания (г/г)
0
88,6
8
23,1
30
22,6
50
23,1
75
17,1
Кинетика набухания (в смеси SGF/вода. 1:8), сжатия (в SGF) и повторного набухания (в искусственной кишечной жидкости SIF).
Эксперименты были проведены с помощью мониторинга коэффициента набухания в течение полного цикла набухания в смеси SGF/вода в соотношении 1:8, сжатия в SGF, и повторного набухания (затем деструкции) в искусственной кишечной жидкости (SIF), и все это при температуре 37°С. Выполненные эксперименты и полученные результаты приведены в Таблице 8, для кинетики повторного набухания / деструкции. Значения уровня рН приведены при их наличии.
Таблица 8.
Кинетика набухания в смеси SGF/вода, сжатия в SGF и повторного набухания в SIF
Эксперимент No
60-минутное набухание в смеси SGF/вода
Сжатие в 70 мл SGF
Повторное набухание / деструкция в SIF
Коэффициент набухания
Коэффициент набухания
30 мин
45 мин
90 мин
120 мин
1
95,5рН 4,82
20,7рН 1,76
71,2
87,3
2
95,3
19,5рН 1,75
72,6
80,5
Заключение
Данный пригодный в пищу полимерный гидрогель набухает примерно в 15 раз в искусственной желудочной жидкости (рН 1,5) и в 85 раз в смеси искусственной желудочной жидкости и воды (рН 3). Это показывает, что пригодный в пищу полимерный гидрогель имеет корреляцию рН/набухание, где при уровне рН ниже 3 (рКа КМЦ равно ~3,1) будет ограниченное набухание пригодного в пищу полимерного гидрогеля из-за отсутствия эффекта Доннана. Полимер также может набухать при повышенном рН в искусственной кишечной жидкости.
Пример 4. Основной препаративный способ для синтеза карбоксиметилцеллюлозы, поперечно-сшитой лимонной кислотой.
Был исследован альтернативный синтез пригодного в пищу полимерного гидрогеля, состоящего из карбоксиметилцеллюлозы, поперечно-сшитой лимонной кислотой. Эти препаративные способы отличаются от выше изложенных в отношении исходных концентраций полимеров; процедуры реакции поперечной сшивки (изменение от температуры 100°С в вакууме до 80°С в воздушной атмосфере); процедур промывки; и процедур сушки. В данном примере описана основная процедура синтеза, сопровождаемая несколькими примерами.
Исходные материалы.
Все использованные материалы относятся к классу пищевых материалов и в настоящее время применяются для приготовления широкого спектра продуктов питания. Перечень наиболее распространенных применений исходных материалов, используемых в этом препарате, приводится ниже:
1. Целлюлоза (CAS # 9004-32-4, Е466):
Основная область применения целлюлозы - это замороженные молочные продукты, корм для животных, хлебобулочные изделия, напитки, низкокалорийная пища, продукты быстрого приготовления и заправки для салатов. Целлюлоза также используется в фармацевтике, в косметических продуктах и предметах личной гигиены.
Она позволяет контролировать вязкость и реологию и применяется в качестве суспендирующего и связывающего агента. Благодаря ее гидрофильным свойствам целлюлоза также применяется для удержания воды в пищевых продуктах. Кроме того, она ингибирует рост кристаллов, а в пленочной форме прочна и устойчива. В нижеприведенных примерах использованная полимерная целлюлоза представляет собой натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ Na), которая является пищевой добавкой.
2. Лимонная кислота (CAS# 77-92-9, Е330):
В качестве пищевой добавки лимонная кислота применяется как ароматизатор и консервант в пищевых продуктах и напитках, особенно в безалкогольных. Лимонная кислота признана безопасной для применения в пищевых продуктах всеми основными национальными и международными регулирующими органами пищевой промышленности. В природе она присутствует почти во всех формах жизни, а избыток лимонной кислоты легко метаболизируется и элиминирует из организма.
3. Сорбит (CAS# 50-70-4, Е420):
Сорбит представляет собой водорастворимый многоатомный спирт со сладким вкусом и высокой стабильностью (помимо свойств гигроскопичности и пластификации). Он используется в производстве зубной пасты, тоников, жидких фармацевтических составов, косметической продукции, такой как кремы и лосьоны для лица. Сорбит имеет широкий спектр применения. В основном применяется в зубных пастах, косметических кремах, лосьонах и одеколонах, которые стали ежедневными потребительскими товарами современного общества. В фармацевтическом секторе сорбит используется в витаминных сиропах, сиропах от кашля, для изготовления таблеток и так далее. Сорбит также является сырьем для производства витамина С, и кроме того применяется в пищевой промышленности, в отволаживании табака, для производства высококачественной бумаги и др.
Приготовление раствора
Первый этап синтеза гидрогеля - смешивание исходных материалов. Исходные материалы: натрий карбоксиметилцеллюлоза (КМЦNa; полимер), лимонная кислота (поперечно-сшивающий агент) и сорбит (молекулярный / физический спейсер). Тогда как растворимость лимонной кислоты и сорбитола очень высока в водных растворах, проблемы возникают с натрий карбоксиметилцеллюлозой.
Существует множество процедур, которые могут применяться для ускорения растворения КМЦNa, некоторые из которых приведены ниже.
1. Увлажнение исходных материалов (в частности, КМЦNa) спиртом (этанолом, метанолом или изопропиловым спиртом) перед добавлением воды. Эта процедура снижает скорость гидратации на первом этапе смешивания и предотвращает образование сгустков. При получении внутри гранул однородного раствора (между спиртом и водой) КМЦNa начинает абсорбировать воду и растворяется быстрее.
2. Увлажнение КМЦNa водой с быстрым перемешиванием во избежание образования сгустков. Добавление небольшого количества уксусной кислоты в воду может ускорить скорость растворения целлюлозы (уровень рН 3,74 достигается при добавлении 25 мл ледяной уксусной кислоты к 100 мл дистиллированной воды).
3. Хранение при температуре 10°С при постоянном помешивании позволяет ускорить растворение КМЦNa.
Всего несколько часов (обычно, около 6 часов) требуется для полного растворения КМЦNa при использовании комбинации способов 1 и 4, описанных выше (без применения уксусной кислоты).
Процесс высушивания раствора.
Приготовленный раствор на следующей стадии высушивается до состояния влажной пленки. Стадия высушивания важна для контроля конечных свойств гидрогеля. Поперечная сшивка целлюлозы происходит благодаря равновесной реакции с получением воды в качестве побочного продукта реакции. Это означает, что реакция происходит, только если уровень влажности внутри материала ниже определенного значения. По этой причине, исходный раствор выливается в плоский контейнер для формирования его в пленку. Толщина пленки - это еще один важный параметр контроля над изменением скорости испарения воды и кинетикой поперечной сшивки материала. Температура высушивания должна быть ниже 45°С, а наличие конденсатора воды (для удаления из камеры сушилки) может способствовать ускорению процесса.
Стадия поперечной сшивки
Реакция поперечной сшивки пленки происходит, когда температура материала поднимается выше температуры внутрилактонного формирования лимонной кислоты (около 60°С). Важные параметры: толщина пленки, материал и уровень влажности воздуха, время и температура.
Стадия промывания
Стадия промывания в комбинации с высушиванием материала представляет собой важную часть процесса. Термин «Промывание» обычно определяется как процесс удаления примесей из материала, но в случае с гидрогелем допускаются и другие значения. По факту, именно на этой стадии контролируются конечные характеристики гидрогеля. Когда сшитый гидрогель помещают в водный раствор, он начинает набухать до состояния равновесия с окружающим раствором. Сетка гидрогеля позволяет высвободить все непрореагировавшие исходные материалы. По этой причине, промывочную среду следует менять несколько раз (примерно 3 раза). Промывание гидрогеля в смеси воды и спирта (этанола или метанола) ускоряет стадию промывания и значительно уменьшает объем необходимого растворителя. Это существенно влияет на стоимость организация работ по технике безопасности технологической линии.
Стадия сушки
Стадия сушки значительно влияет на конечные свойства гидрогеля (объем выхода и коэффициент набухания). Могут применяться несколько способов сушки. Одним из способов является экстракция воды с помощью процедуры инверсии фазы в нерастворителе (например, в ацетоне) для сетки гидрогеля, несколько исследований подтверждают, что способ инверсии фазы вероятно наиболее приемлемый в производстве гидрогеля с улучшенными характеристиками набухания. С другой стороны, этот способ менее эффективен с точки зрения эксплуатационных затрат, связанных с обеспечением эксплуатационной безопасности. Менее затратным является способ испарения воды, но конечное набухание материала, в целом, ниже. Такое неодинаковое поведение приписывалось разным капиллярным эффектам удержания воды, связанным с различной микропористостью, которая, в случае инверсии фазы выше и взаимосвязана (материал в виде губки), тогда как, при сушке воздухом она гораздо ниже (объемный материал).
Третьим возможным способом является частичное промывание поперечно-сшитой пленки в смеси воды и метанола и последующим высушиванием инверсией фазы в ацетоне. Эта процедура имеет двойное преимущество: получение высококачественного гидрогеля (с точки зрения объема набухания) и низкие расходы на обработку из-за высушивания меньшего объема частично набухшего гидрогеля.
Примеры 5-15. Производство гидрогеля.
Приведенные ниже Примеры 5-15 относятся к нескольким группам гидрогелей, отличающиеся друг от друга одной или несколькими исходными концентрациями КМЦNa, концентрацией сорбита, временем поперечной сшивки, процедурами промывания и сушки. Внутри каждого примера рассматривается один и тот же синтез, в котором изменяется только время реакции поперечной сшивки.
Пример 5
A: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс. % от КМЦNa)
Поперечная сшивка течение 60 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в искусственной желудочной жидкости (SGF) через 15 мин = 33,16
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 30,46
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 49,38
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 33,98
В: 3% полимера КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa)
Поперечная сшивка в течение 90 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 32,38
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 29,50
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 28,40
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 26,20
C: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa)
Поперечная сшивка в течение 120 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 23,14
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 24,46
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 18,94
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 17,70
D: 3% полимера КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa)
Поперечная сшивка в течение 150 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 24,54
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 23,22
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 26,16
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 23,06
Обсуждение
Можно заметить, что увеличение времени поперечной сшивки и, как следствие, степени поперечной сшивки, как и ожидалось, уменьшает в среднем коэффициент набухания. Следует отметить, что когда температура поперечной сшивки снижается со 100°С в вакууме до 80°С в воздушной атмосфере, чувствительность различий в объеме набухания среди образцов, поперечно-сшитых в течение разных промежутков времени (60, 90, 120 и 150 минут), меняется слабо. Следует отметить, что для синтеза и промывания всех образцов гидрогелей в данном примере использовалась водопроводная вода. Промывание водопроводной водой обычно уменьшает объем набухания конечного продукта примерно на 20%, и тот же самый синтез может быть выполнен с применением деионизированной воды для улучшения характеристик в смысле объема набухания конечного продукта.
Пример 6
A: 3% КМЦNa; 9% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa).
Поперечная сшивка в течение 60 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 60,10
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 63,80
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 71,42
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 65,26
B: 3% КМЦNa; 9% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa).
Поперечная сшивка в течение 90 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 73,50
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 81,62
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 64,60
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 63,14
C: 3% полимера КМЦNa; 9% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa)
Поперечная сшивка в течение 120 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 47,86
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 42,14
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 49,50
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 42,58
D: 3% КМЦNa; 9% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa).
Поперечная сшивка в течение 150 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 53,32
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 63,96
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 61,28
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 68,88
Обсуждение
Синтез, описанный в данном примере, идентичен синтезу в Примере 5, за исключением используемого количества спейсера (сорбита), которое увеличилось с двух до трех раз от количества КМЦNa (9%). Увеличение объема набухания наблюдалось у всех образцов для всех времен поперечной сшивки, подтверждая, таким образом, что увеличение среднего расстояния между полимерными цепочками во время химической стабилизации уменьшает упругие (энтропийные) характеристики для набухания макромолекулярной сетки. Наилучшие результаты, с точки зрения набухаемости, были получены образцами, поперечно-сшитыми в течение 60 и 90 минут. Образец 8, несмотря на небольшое снижение объема набухания, оказался очень стабильным после длительной инкубации в SGF (120 минут) и всегда увеличивал свой объем набухания во времени. Реологические свойства оказались хорошими, и не наблюдалось выщелачивания геля.
Пример 7
A: 3% КМЦNa; 12% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa).
Поперечная сшивка в течение 90 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 98,30
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 98,68
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 109,46
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 91,42
B: 3% КМЦNa; 12% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa).
Поперечная сшивка в течение 120 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 55,50
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 64,42
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 70,12
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 92,94
С: 3% КМЦNa; 12% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa).
Поперечная сшивка в течение 150 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Потери при сушке = 7-10%
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 47,14
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 55,84
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 59,84
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 60,90
Обсуждение
Синтез этого образца характеризовался повышенной концентрацией спейсера (12% сорбита). Это позволило оценить значительную чувствительность к концентрации спейсера в реакционной смеси в смысле объема набухания конечного продукта. Образец А, поперечно-сшитый за 90 минут, показал наилучшие характеристики, достигая через 60 минут соотношения набухания в SGF, равного почти 109. Дальнейшее увеличение времени поперечной сшивки от 120 до 150 минут значительно уменьшило объем набухания конечного продукта, показав, таким образом, высокую чувствительность ко времени поперечной сшивки для синтеза в этом примере, по сравнению с Примерами 5 и 6.
Пример 8
A: 6% КМЦNa; 12% сорбита; 0,3% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa)+ледяная уксусная кислота 25 мл / 100 мл воды (рН 3,76).
Поперечная сшивка в течение 60 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мл) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 62,40
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 61,74
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 72,92
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 65,58
B: 6% КМЦNa; 12% сорбита; 0,3% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa) + ледяная уксусная кислота 25 мл /100 мл воды (рН 3,76).
Поперечная сшивка в течение 90 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 52,62
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 56,70
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 59,90
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 55,54
С: 6% КМЦNa; 12% сорбита; 0,3% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa) + ледяная уксусная кислота 25 мл /100 мл воды (рН 3,76).
Поперечная сшивка в течение 120 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 31,16
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 37,96
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 39,72
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 35,54
D: 6% КМЦNa; 12% сорбита; 0,3% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa) + ледяная уксусная кислота 25 мл / 100 мл воды (рН 3,76).
Поперечная сшивка в течение 150 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 мс) в течение ночи
Высушивание в ацетоне
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 26,42
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 30,26
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 27,10
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 25,32
Обсуждение
Уксусная кислота была добавлена к исходной реакционной смеси синтеза данного образца, чтобы изменить рН раствора до значения 3,76 и лучше растворить высокую концентрацию полимера (6% целлюлозы). Количество сорбита, использованного в этом синтезе, постоянно удваивается по отношению к полимеру КМЦNa (12%), а концентрация лимонной кислоты остается неизменной во всех образцах (5% от КМЦNa).
Первым значимым результатом было не только полное растворение полимера КМЦNa, что было легко достижимо, но также была получена стабильная поперечно-сшитая сетка. Кроме того, коэффициент набухания материала был значительным, максимальное значение которого было равно приблизительно 73 для образцов, поперечно-сшитых за 60 минут и находящихся в искусственном желудочном соке SGF в течение 60 минут. Безусловно, увеличение времени поперечной сшивки вызывает сопутствующее уменьшение коэффициента набухания; это уменьшение кажется вполне плавным, таким образом не обнаруживает высокой чувствительности к изменению времени поперечной сшивки.
Пример 9
A: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты.
Поперечная сшивка в течение 60 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 22,66
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 22,08
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 22,56
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 20,74
В: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты.
Поперечная сшивка в течение 90 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 17,30 (±5%)
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 16,38 (±5%)
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 16,76 (±5%)
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 15,8 (±5%)
С: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты
Поперечная сшивка в течение 120 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 13,06
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 13,40
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 14,26
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 12,94
D: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты
Поперечная сшивка в течение 150 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 12,74
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 13,26
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 13,80
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 13,02
Обсуждение
С целью оценки удаления воды как на стадии промывания, так и на стадии сутки ацетоном образцы в Примере 9 были приготовлены с той же композицией, как и в Примере 5, но исключили эти две стадии. Таким образом, образцы были поперечно сшиты при разном времени реакции, а полученный в результате сухой порошок был непосредственно использован для исследований набухания. Результаты не были хорошими, коэффициент набухания в лучшем случае не превышал 22. Это предполагает, что как минимум одна из двух стадий, промывание и сушка ацетоном, необходима для получения продукта с нужными характеристиками набухания. Это происходит, по всей вероятности, из-за комбинации эффектов, включая микроструктуру (от связанной микропористости до объемного материала), присутствие непрореагировавших примесей (которые также могут иметь дополнительный побочный эффект увеличения поперечной сшивки во время хранения из-за реакций в твердом теле) и пр.
Пример 10
А: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты
Поперечная сшивка в течение 60 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде (700 с) в течение ночи
Высушивание в воздушной атмосфере при температуре 45°С
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 43,52
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 41,44
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 59,06
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 58,36
В: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты
Поперечная сшивка в течение 90 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды).
Промывание в водопроводной воде (700 с) в течение ночи
Высушивание в воздушной атмосфере при температуре 45°С
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 57,45
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 45,72
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 50,70
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 55,86
C: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты
Поперечная сшивка в течение 120 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды).
Промывание в водопроводной воде (700 с) в течение ночи
Высушивание в воздушной атмосфере при температуре 45°С
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 51,94 (±5%)
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 74,40 (±5%)
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 74,76 (±5%)
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 85,90 (±5%)
D: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты
Поперечная сшивка в течение 150 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды).
Промывание в водопроводной воде (700 с) в течение ночи
Высушивание в воздушной атмосфере при температуре 45°С
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 91,50
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 96,54
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 98,24
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 95,98
Обсуждение
Образцы в данном примере были приготовлены, чтобы оценить исключение только одной стадии сушки ацетоном, поскольку она наиболее затратная как с точки зрения расходов, так и по количеству проблем, связанных с производственной безопасностью. Образцы были приготовлены еще раз с той же композицией и с той же процедурой, что и в Примере 5, но была исключена стадия сушки. Затем после поперечной сшивки образцы промыли в воде и высушили в воздушной атмосфере при температуре 45°С. Результаты оказались очень интересными. По факту, объем набухания удивительно высокий, с максимальным коэффициентом набухания выше 90 (пример 23), хотя получен только промыванием водопроводной водой и использованием сорбита с удвоенной концентрацией по отношению к полимеру КМЦNa. Кроме того, и это стоит отметить, что процедура высушивания воздухом увеличит энергозатраты всего процесса, связанного с нагреванием и удалением влажности, которые при сушке ацетоном отсутствуют и заменены термодинамикой инверсии фазы. Дополнительные затраты на потребляемую энергию ниже, чем при использовании ацетона, и в плане общих затрат и техники безопасности, в том числе контроля остаточных количеств растворителя в сухом конечном продукте.
Пример 11
A: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты
Поперечная сшивка в течение 90 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в метаноле / дистиллированной воде (70% / 30%) три раза (в течение ≈ 24 ч)
Высушивание в течение ночи в термостате при температуре 45°С
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 19,12
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 23,96
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 23,12
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 24,30
В: 3% КМЦNa; 6% сорбита; 0,15% лимонной кислоты
Поперечная сшивка в течение 150 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в метаноле / дистиллированной воде (70% / 30%) три раза (в течение ≈ 24 ч)
Высушивание в течение ночи в термостате при температуре 45°С
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 21,06
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 20,28
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 19,09
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 21,76
Обсуждение
Образцы в данном примере были синтезированы без использования ацетоновой сушки. Также на стадии промывания в воду был добавлен метанол для того, чтобы значительно снизить объем воды, используемой на стадии промывания, а также для очистки материала перед финальной стадией сушки. Объем набухания в SGF была довольно низкий.
Однако этот результат может быть улучшен изменением состава смеси. Характерная проблема - это получение гидрогеля с хорошими механическими свойствами и устойчивой конфигурацией сетки.
Пример 12
А: 3% КМЦNa; 12% сорбита; 0,15% лимонной кислоты
Поперечная сшивка в течение 90 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в метаноле / дистиллированной воде (70% / 30%) три раза (в течение ≈ 24 ч)
Высушивание в течение ночи в термостате при температуре 45°С
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 24,02
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 24,70
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 24,11
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 25,73
B: 3% КМЦNa; 12% сорбита; 0,15% лимонной кислоты
Поперечная сшивка в течение 150 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в метаноле / дистиллированной воде (70% / 30%) три раза (в течение ≈ 24 ч)
Высушивание в течение ночи в термостате при температуре 45°С
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 22,80
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 27,10
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 26,50
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 28,11
Обсуждение
Эти образцы из данного примера были получены тем же способом, что и в Примере 11, по с повышенной концентрацией спейсера. Наблюдалось небольшое увеличение объема набухания.
Пример 13
A: 3% КМЦNa; 12% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa).
Поперечная сшивка в течение 90 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в метаноле / дистиллированной воде (70% / 30%) три раза (в течение ≈ 24 ч)
Высушивание / промывание в 100% ацетоне 2 раза, затем высушивание в термостате (45°С) в течение 3 ч для полного удаления ацетона.
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 75,38
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 76,67
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 124,20
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 138,60
B: 3% КМЦNa; 12% сорбита; 0,15% лимонной кислоты (5 масс.% от КМЦNa).
Поперечная сшивка в течение 150 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в метаноле/дистиллированной воде (70%/30%) три раза (в течение ≈ 24 ч)
Высушивание / промывание в 100% ацетоне 2 раза, затем высушивание в термостате (45°С) в течение 3 ч для полного удаления ацетона.
Коэффициент набухания в SGF через 15 мин = 61,73
Коэффициент набухания в SGF через 30 мин = 80,47
Коэффициент набухания в SGF через 60 мин = 99,86
Коэффициент набухания в SGF через 120 мин = 116,45
Обсуждение
Здесь стадия промывания была выполнена с использованием смеси метанол-вода. После промывания материал просушили непосредственно в ацетоне, минуя стадию промывания водой.
Так как материал был частично набухшим перед процедурой сушки ацетоном, для сушки потребовался небольшой объем ацетона, и затраты, связанные с техникой безопасности и обработкой, были низкими. В свою очередь, качество продукта, с точки зрения объема набухания конечного продукта, было отличным.
Пример 14
3% КМЦNa; 6% сорбита; 0% лимонной кислоты. 25 мл уксусной кислоты для 100 мл воды (рН ~ 3,74)
Поперечная сшивка в течение 30, 60, 90 или 150 минут при температуре 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в дистиллированной воде три раза (в течение примерно 24 ч)
Коэффициент набухания через 15 мин = нн
Коэффициент набухания через 30 мин = нн
Коэффициент набухания через 60 мин = нн
Коэффициент набухания через 120 мин = нн (нн = нет набухания)
Обсуждение
Этот образец был синтезирован без использования лимонной кислоты, этот синтез был выполнен с целью демонстрации, что без поперечно-сшивающего агента не происходит никакой поперечной сшивки. Эта гипотеза была подтверждена тем фактом, что вещество растворяется при погружении в воду после сушки.
Пример 15
А: 6% КМЦNa; 18% сорбит; 0,3% лимонная кислота (5 масс.% от КМЦNa)
Поперечная сшивка в течение 90 минут при 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде, с последующей сушкой в ацетоне и в воздушной атмосфере при 45°С
Коэффициент набухания в SGF/воде 1/8 через 30 минут = 94
Коэффициент набухания в SGF/воде 1/8 через 60 минут = 98
Модуль упругости 1% КМЦ/СА в SGF/воде 1/8 при 10 рад / сек = 1238 Па
-1
Вязкость 1% КМЦ/СА в SGF/воде 1/8 при 0,5 s = 68
B: 6% КМЦNa; 18% сорбит; 0,06% лимонная кислота (1 масс.% от КМЦNa)
Поперечная сшивка в течение 18 часов при 80°С (давление окружающей среды)
Промывание в водопроводной воде, с дальнейшей сушкой в ацетоне и на воздухе атмосфера при 45°С
Коэффициент набухания в SGF/воде 1/8 через 30 минут = 100
Коэффициент набухания в SGF/воде 1/8 через 60 минут = 105
Модуль упругости 1% КМЦ/СА в SGF/воде 1/8 при 10 рад/сек = 1300 Па
-1
Вязкость 1% КМЦ/СА в SGF/воде 1/8 при 0,5 s = 140.
Пример 16. Тестирование стабильности пригодного в пищу полимерного гидрогеля
Образцы пригодного в пищу полимерного гидрогеля, приготовленные способом образца 15В, были помещены в запаянные ампулы при повышенной и при комнатной температуре. Для каждого образца набухание гидрогеля в SGF:воде (1:8) было измерено в заранее установленные моменты времени. Результаты, показанные ниже, демонстрируют, что пригодный в пищу полимерный гидрогель стабильный при комнатной температуре и при повышенных температурах.
6 дней при 25°С - набухание в SGF/воде 1/8 = 102
12 дней при 25°С - набухание в SGF/воде 1/8 = 107
20 дней при 25°С - набухание в SGF/воде 1/8 = 104
25 дней при 25°С - набухание в SGF/воде 1/8 = 99
3 дня при 70°С - набухание в SGF/воде 1/8 = 87
6 дней при 70°С - набухание в SGF/воде 1/8 = 75
10 дней при 70°С - набухание в SGF/воде 1/8 = 82
20 дней при 70°С - набухание в SGF/воде 1/8 = 81
25 дней при 70°С - набухание в SGF/воде 1/8 = 79
Примеры 17-23 Модифицированная пищевые продукты и продукты питания
Данное изобретение включает в себя пищевые продукты и продукты питания, которые предпочтительно способны обеспечивать насыщение и/или обеспечивать часть рекомендуемой суточной нормы витаминов и минералов, установленной U.S. Department of Agricultere. Каждый из этих пищевых продуктов содержит карбоксиметилцеллюлозу поперечно-сшитую лимонной кислотой («КМЦ/СА гидрогель»).
Примеры пищевых продуктов, входящих в список пяти групп, приведены ниже для иллюстрации различных сфер применения данного изобретения.
Макаронные изделия
Пищевые палочки
Горячие и холодные завтраки из злаков
Хлебобулочные и печеные изделия
Напитки
В первом типе препарата пригодный в пищу полимерный гидрогель внутри пищи набухает или во время приготовления пищи (например, макаронные изделия, йогурт, десерт, напитки) или в желудке/желудочно-кишечном тракте (пищевые палочки, кукурузные хлопья). Во втором типе препарата гидрогель формируется в процессе приготовления пищи (макаронные изделия, хлебобулочные изделия).
Пример 17 Модифицированные питательные пищевые палочки
Эта часть данного изобретения обеспечивает питательную закуску, которая одновременно вызывает чувство насыщения и включает в себя порцию рекомендуемой суточной нормы всех витаминов и минералов, установленной U.S. Department of Agricultere.
Питательные палочки содержат пригодный в пищу полимерный гидрогель, который не переваривается в желудке. Когда он набухает в желудке, он обеспечивает дополнительное насыщение по механическим причинам. При проглатывании и контакте с желудочной жидкостью или с комбинацией желудочной жидкости и воды пригодный в пищу полимерный гидрогель начнет набухать. Таким образом, объем желудка, занятого гидрогелем, может быть значительно больше, чем объем пригодного в пищу полимерного гидрогеля, проглоченного пациентом. Пригодный в пищу полимерный гидрогель согласно изобретению также может увеличивать объем и/или оказывать давление на стенки тонкого кишечника, при перемещении из желудка в тонкий кишечник и набухании.
А. Обогащенные белком палочки
Ингредиенты:
2 чашки овсяной крупы быстрого приготовления
1 1/2 чашки порошка обезжиренного молока
7 г пригодного в пищу полимерного гидрогеля (как приготовлено в Примере 10D)
4 ложки шоколада с низким содержанием углеводов или порошка ванильного белка
1 чашка кленового сиропа без сахара
2 взбитых яичных белка
1/4 чашки апельсинового сока
1 чайная ложка ванили
1/4 чашки натурального яблочного пюре
1. Нагрейте духовку до 325°F и опрыскайте противень или 9×12 форму для выпечки антипригарным спреем.
2. Насыпьте овсянку, молочный порошок и протеиновый порошок в чашку и хорошо перемешайте.
3. В отдельной чашке смешайте яичные белки, апельсиновый сок, яблочное пюре и сироп без сахара и хорошо перемешайте.
4. Размешайте жидкую смесь с сухими компонентами до равномерного перемешивания. Консистенция станет густой и похожей на тесто для печенья.
5. Добавьте пригодный в пищу полимерный гидрогель и гомогенизируйте в течение 5 мин.
6. Выложите эту массу на противень и запекайте, пока края не станут хрустящими и не потемнеют.
7. Разрежьте на 10 палочек и храните в воздухонепроницаемом контейнере или заморозьте.
B. Постные палочки
Ингредиенты:
1 чашка миндального или арахисового масла, 3/4 чашки меда
1/2 чайной ложки ванильного экстракта, 1/4 чайной ложки корицы
2 чашки овсяных хлопьев старого образца
1 чашка поджаренного измельченного миндаля
5 г пригодного в пищу полимерного гидрогеля (как приготовлено в Примере 10D)
От 1/4 до 1/2 чашки изюма или другого сухофрукта
1. Нагрейте духовку до 350 градусов по Фаренгейту. Опрыскайте 9 дюймовый квадратный противень спреем масла канола (рапса) для готовки.
2. Перемешайте миндальное масло и мед в кастрюле с толстым дном на среднем или большом огне. Быстро перемешивайте, пока смесь не расплавится - от трех до пяти минут.
3. Перемешайте с ванилью и корицей.
4. Добавьте овсянку, миндаль и изюм.
5. Добавьте пригодный в пищу полимерный гидрогель и перемешивайте в течение 5 минут.
6. Запекайте в течение 15 минут. Дождитесь полного охлаждения и разрежьте на девять равных квадратов.
С. Покрытый пригодный в пищу полимерный гидрогель
1. 100 г пригодного в пищу полимерного гидрогеля, приготовленного как в Примере 10D, поместили в кипящий слой Вустера, раствор ацетоглицерида напылили на полимерные частицы, затем дали им высохнуть.
2. частицы пригодного в пищу полимерного гидрогеля (200-600 мкм), сахар, сухое обезжиренное молоко и казеинат натрия перемешали в 3-квартовом миксере Хобарта, нагретом до 120°F. Жир, нагретый примерно до 140°F, добавляли к сухой смеси, и смешивание продолжалось еще в течение 15 минут на медленной скорости при помощи тестомешалки на медленной скорости.
D. Не печеные палочки гранолы
Ингредиенты:
1/2 чашки плотно упакованного желтого сахара
1/2 чашки светлого кукурузного сиропа
1 чашка арахисового масла
1 чайная ложка ванили
1 1/2 чашки овсяных хлопьев быстрого приготовления
1 1/2 чашки хрустящих зерен риса
10 г покрытого пригодного в пищу полимерного гидрогеля (приготовленного как в Примере 10D) с диапазоном размера частиц 200-1000 мкм
1 чашка изюма
1/2 чашки кокоса
1/2 чашки семян подсолнечника
2 столовых ложки семян кунжута
1. В кастрюле средних размеров смешайте желтый сахар и кукурузный сироп. Постоянно перемешивая, доведите до кипения.
2. Снимите с огня, добавьте арахисовое масло и ваниль; хорошо перемешайте.
3. Добавьте овсянку, зерна риса, пригодный в пищу полимерный гидрогель, изюм, кокос, семена подсолнечника и семена кунжута. Хорошо перемешайте.
4. Выложите на несмазанный 9-дюймовый квадратной противень. Охладите. Разрежьте на 20 палочек.
Частицы были покрыты кукурузным сиропом и жирами и не набухали. После хранения в течение недели при комнатной температуре палочки были проанализированы, обнаружилось, что пригодный в пищу полимерный гидрогель не набухал. Палочки пригодным в пищу полимерным гидрогелем и палочки без пригодного в пищу полимерного гидрогеля помещали в стакан с водой (150 мл). Палочки без пригодного в пищу полимерного гидрогеля распадались после 1 часа и вода свободно вытекала. С другой стороны, палочки с частицами пригодного в пищу полимерного гидрогеля распадались, частицы пригодного в пищу полимерного гидрогеля набухали более чем в 200 раз и вода становилась вязкой.
Е. Зерновые палочки с клубничной начинкой
Приготовьте клубничную начинку;
2 1/2 чашки крупно нарезанной очищенной клубники
1/2 чашки сахара
2 1/2 столовые ложки кукурузного крахмала
3/4 чашки растопленного масла
1 чашка упакованного желтого сахара
2 чашки универсальной муки, 1/2 чайной ложки пищевой соды, 1 1/2 чашки крупы гранола
10 г покрытого пригодного в пищу полимерного гидрогеля (приготовленного как в Примере 10D)
Инструкция
1. Доведите все компоненты до кипения в маленькой тяжелой соуснице, постоянно перемешивая, и раздавите немного ягоды задней стороной ложки.
2. Кипятите 2 минуты для сгущения; постоянно перемешивая (смесь немного загустеет).
3. Взбейте масло и сахар. Перемешайте с мукой и содой. Добавьте к взбитой смеси гранолу и полимер; хорошо перемешайте.
4. Положите половину в смазанную маслом и посыпанную мукой размером 13×9×2 дюймов форму для выпечки. Обмажьте начинкой.
5. Добавьте 1 столовую ложку воды к оставшейся взбитой смеси; нанесите сверху начинку. Слегка нажмите холодной рукой и разрежьте на палочки, пока теплые. Семена клубники маскируют зернистое ощущение во рту от пригодного в пищу полимерного гидрогеля.
F. Палочки гранолы с пригодным в пищу полимерным гидрогелем, содержащие шоколадные кусочки
3 г пригодного в пищу полимерного гидрогеля (приготовленного как в примере 10D) с размерами частиц 200-1000 мкм
5 г шоколада (темный шоколад, Hershey, PA).
Шоколад был расплавлен на очень слабом огне с помощью пароварки и пригодный в пищу полимерный гидрогель с размером частиц 200-600 мкм медленно перемешали с ним. Масла в шоколаде покрыли частицы и предотвратили набухание. После создания однородной смеси расплавленный шоколад, содержащий частицы пригодного в пищу полимерного гидрогеля, залили в холодную мраморную форму и сформировали куб (2×1×1 см). Шоколадный куб поместили на ночь в холодильник. На следующее утро куб был разрезан на маленькие кусочки размером 2-3 мм для приготовления пищевых палочек из примера 16D.
После недели хранения при комнатной температуре шоколадные кусочки были проанализированы, пригодный в пищу полимерный гидрогель не был набухшим. Однако после крошения шоколадных кусочков и помещения их в воду пригодный в пищу гидрогель полимера набух примерно в 200 раз.
Пример 18 Пищевые палочки с покрытием
Пищевые палочки Kellogg™ Special К™ (Kellogg NA Co., Battle Creek, MI) были раскрошены на маленькие кусочки, и эти кусочки были размягчены нагреванием в течение 10 минут при 50°С. Пригодный в пищу полимерный гидрогель, приготовленный как в Примере 15В, был добавлен к размягченным кусочкам (3 г пригодного в пищу полимерного гидрогеля было добавлено к 21 г кусочков пищевых палочек). Смесь замесили вручную и придали форму палочек. После охлаждения палочек 10 г кусочков палочек были помещены в стакан с водой (200 мл). 10 г исходных неизмененных палочек также были помещены в стакан с водой. Содержащие гидрогель палочки распались в течение минуты и через 8 минут абсорбировали всю воду, сформировав полутвердый гель. Исходные палочки были интактными по окончании 10 минут.
Пример 19 Модифицированные злаковые продукты
Кукурузные хлопья
Подслащенные или неподслащенные кукурузные хлопья (кукурузная мука, концентрированный фруктовый сок, морская соль) смешиваются с КМЦ/СА и смесь опрыскивается раствором сахаров, минеральных веществ, витаминов, белков, ароматизаторов и красителей для создания покрытия на кукурузных хлопьях, чтобы прикрепить пригодный в пищу полимерный гидрогель к поверхности хлопьев. Покрытые частицы пригодного в пищу полимерного гидрогеля при помещении в молоко также мало набухают из-за белков в молоке, но будут в дальнейшем набухать при воздействии желудочных жидкостей.
Злаки с гранолой
КМЦ/СА гранулируется для формирования гранул или заранее установленных форм, таких как формы сухофруктов, например изюм, орехи, или любой другой формы. Гранулы КМЦ/СА добавляются с сахарами, медом, кленовым сиропом и другими очень густыми подсластителями, смешиваются при слабом нагревании с сухими злаками для формирования комочков после охлаждения до комнатной температуры.
Типичные злаковые комочки сделаны из: цельного пшеничного зерна, сахара, риса, цельных овсяных зерен, кукурузного сиропа, пшеничных хлопьев, рисовой муки, меда, соли, сиропа из желтого сахара, пшеничных хлопьев (мука из цельной пшеницы, кукурузный крахмал, кукурузная мука, сахар, соль, тринатрий фосфат, гидрокарбонат натрия, добавленный краситель), овсяной муки, натурального и искусственного ароматизатора, тринатрий фосфата, добавленного красителя, цинка и железа (минеральные добавки), витамина С (аскорбат натрия), витамина В (ниацинамид), витамина В6 (пиридоксина гидрохлорид), витамина В2 (рибофлавин), витамина В1 (тиамина мононитрат), витамина А (пальмитат), витамина В (фолиевая кислота), витамина В12, витамина D, обезжиренного молока, натурального миндального ароматизатора, муки грубого помола из грецкого ореха. Витамин Е (смешанные токоферолы) и ВНТ для сохранения свежести.
Сформированные комочки гранолы при помещении в молоко будут набухать только медленно из-за белков в молоке, но будут набухать в дальнейшем при воздействии желудочных жидкостей.
Злаковые из овсяной муки
Злаковые из овсяной муки перед использованием смешиваются с покрытым или непокрытым КМЦ/СА. Нарезанная овсяная крупа пропитывается в течение нескольких часов в холодной воде с солью, кленовым сиропом, измельченным мускатным орехом, измельченной корицей и измельченным имбирем. Смесь нагревается и готовится в течение 90 минут и к теплой смеси добавляют гранулы КМЦ/СА и дают им частично набухнуть, прежде чем смешать с кремом, молоком, или дополнительной водой.
Пример 20. Модифицированные макаронные изделия
Эта часть данного изобретения описывает новый тип макаронных изделий, составленный из традиционных компонентов макаронных изделий и описанного выше гидрогеля в концентрациях, которые могут варьировать как функция содержания калорий в продукте. Поскольку гидрогель не будет абсорбироваться в желудочно-кишечным тракте, его функция будет заключаться только в увеличении объема продукта. Эта функция увеличения объема будет ограничена в сухой форме и станет более очевидной в набухшем состоянии. Гидрогель будет проявлять это набухшее состояние в двух случаях: во-первых, при контакте с жидкостями (главным образом, с водой и водными растворами) во время приготовления, и, во-вторых, в желудке и тонком кишечнике (желудочная и кишечная жидкости).
Для этого специфического применения необходимый объем набухания компонента гидрогеля в конечном продукте ниже по сравнению с увеличением объема при применении в капсулах. Кроме того, количество продукта, принятого внутрь, при таком применении может быть значительно более высоким. Реологические свойства гидрогеля (например, высокая вязкость, высокий модуль упругости, и т.д) являются ключевыми факторами для производства хороших вкусовых качеств и однородности во время разработки конечного продукта.
Макаронные изделия связаны, главным образом, с производством различных типов макарон различной формы, размеров, типов добавок и концентрациями (например, манная крупа, овощи, различные ароматизаторы и т.д). Продукт может выпускаться или мелким производителем (небольшой масштаб производства, фабрики и производства, низкие объемы и большое время производства) или крупномасштабным производством (высокие объемы, малое время производства).
Производство макаронных изделий в сухой форме требует соответствующего оборудования. Оборудование состоит из следующих двух компонентов: 1. специальная система для дозировки объема, специфичная для этого применения и 2. винтовая баня для смешивания всех компонентов процесса. Смешивание в винтовой бане производится под вакуумом для производства продукта без воздуха внутри и без воздушных пузырьков. Это дает более компактный и прозрачный продукт, и, что еще более важно, продукт с более блестящим цветом, чем у традиционных смесей.
Исходная смесь будет содержать КМЦNa и лимонную кислоту с добавлением муки в концентрации, которая может контролироваться в зависимости от необходимого конечного содержания калорий. Сорбит не добавляется к исходной смеси, потому что сама мука действует как молекулярный спейсер. Другие компоненты, такие как овощи, специи, оливковое масло или другие продукты, также могут быть добавлены к исходной смеси.
При добавлении манной муки, янтарная желтоватая коллоидная масса (смесь) переносится в цилиндр с переменной секцией для формования внесенной смеси. После формирования нужной формы (например спагетти, тальятелле и т.д.) следующей стадией является сушка, где общее количество влаги в продукте уменьшается до значений, немного ниже 12,5% (максимальная влажность, допустимая по закону). В том случае, когда были добавлены другие пищевые компоненты, и цвет, и влажность конечной массы могут изменяться в соответствии с цветом и влажностью добавленных продуктов.
Этап сушки - это наиболее чувствительная часть всего процесса. Она способствует более длительному хранению продукта, стабилизирует качество материала, улучшает вкусовые характеристики продукта и создает равновесие между компонентами продукта для оптимального качества. Процесс сушки выполняется при помощи традиционных печей.
Второй подход при производстве макаронных изделий напоминает тот, который описан выше, за исключением того факта, что гидрогель не формируется непосредственно во время процесса производства макаронных изделий, но синтезируется до этого, в соответствии с Примерами 4-13, и затем добавляется в нормальный процесс производства макаронных изделий в концентрации, которая может быть изменена в зависимости от необходимого содержания калорий в конечном продукте.
Два примера, связанных с этими двумя различными подходами, описаны ниже.
A. Спагетти - формирование гидрогеля во время приготовления
Ингредиенты:
2 части муки манной крупы
1 часть КМЦ/Na
Вода (33% смеси КМЦ-мука)
Лимонная кислота (5% смеси КМЦ-мука-вода)
1. Заложите компоненты в экструдер, исключая воду.
2. Медленно добавляйте воду на различных стадиях процесса выдавливания.
3. Продавите смесь через матрицу.
4. Высушите продавленный продукт при 45°С в течение ночи.
В. Спагетти - добавление гидрогеля во время процесса
Ингредиенты:
2 части КМЦ/СА гидрогеля (как в примере 12)
1 часть муки манной крупы
Вода (33% начального содержания муки)
1. Заложите муку в экструдер.
2. Медленно добавляйте воду на различных стадиях процесса выдавливания.
3. Добавьте пригодный в пищу полимерный гидрогель в конечную порцию процесса выдавливания.
4. Продавите смесь через матрицу.
5. Высушите продавленный продукт при 45°С в течение ночи.
Пример 21 Модифицированный хлеб
Эта часть данного изобретения описывает новый тип хлеба, в двух вариантах: мягкий хлеб и хлеб гриссини. Здесь рабочая концепция сходна с той, что было описана для макаронных изделий и пищевых палочек, описанных выше. Абсорбирующий гидрогель добавляется к хлебобулочным продуктам в различных концентрациях для достижения сложной структуры, которая будет напоминать структуру и вкус нормального хлеба, но с добавлением гидрогеля, способного к набухать только в желудке.
Концентрация гидрогеля в хлебном продукте будет варьировать в зависимости от нужного содержания калорий в конечном продукте и от производимого эффекта насыщения. Дополнительно могут добавляться овощи, оливковое масло, специи и другие пищевые продукты для улучшения вкуса конечного продукта.
А. Мягкий хлеб
Ингредиенты:
2 части муки
1 часть КМЦ
Лимонная кислота (5% от КМЦ по массе)
Натриевая соль (5% от муки по массе)
Вода (40% от муки по массе)
Оливковое масло (5% от муки по массе)
1. Перемешайте все ингредиенты без воды при комнатных условиях.
2. Добавьте теплую воду (37°С) при перемешивании.
3. Придайте коллоидной смеси нужную форму.
4. Закончите перемешивать и оставьте на 3 часа при 37°С.
5. Готовьте в печи при 250°F в течение необходимого времени, зависящего от размеров (для 1 кг цилиндрической формы необходим приблизительно 1 час).
В. Хлеб гриссини
Ингредиенты:
400 г муки
20 г разрыхлителя
1/2 чайной ложки экстракта ванили
200 мл молока (37°С)
2 ложки оливкового масла, 1 ложка соли.
1. Смешайте муку, КМЦ, лимонную кислоту и соль.
2. Выложите круг из муки и соли.
3. Растворите разрыхлитель в молоке и налейте его вместе с оливковым маслом в середину круга.
4. Смешайте все, пока не получится коллоидная масса.
5. Закончите перемешивать и оставьте коллоидную массу на 40 минут при 37°С.
6. Разрежьте и придайте форму тонких цилиндрических кусков.
7. Выпекайте в печи при 200°С в течение 20 минут.
Пример 22 Модифицированные напитки
Эта часть данного изобретения описывает новый тип напитка, способного обеспечить долговременную доставку воды и минеральных веществ в тонкий кишечник для продолжительной гидратации. Этот результат достигается благодаря добавлению к напитку набухших микросфер пригодного в пищу полимерного гидрогеля. Пригодный в пищу полимерный гидрогель проглатывается вместе с напитком. При попадании в тонкий кишечник жидкость и лишние соли доставляются под градиентом концентрации и, в конечном счете, удаляются с калом.
Чтобы сделать этот продукт, микросферы гидрогеля должны оставаться в сухой форме внутри бутылки, возможно, храниться под крышкой. Микросферы гидрогеля дополнительно насыщены добавками, такими как белки, соли и/или молекулы, предназначенные для переорального введения. За минуту до питья необходимо разломать контейнер под крышкой, высыпав пригодный в пищу полимерный гидрогель в жидкость, где он начнет набухать. Добавки начнут высвобождаться, сначала в жидкой массе, а затем во время всего прохождения через желудочно-кишечный тракт).
Количество хранящегося в бутылке пригодного в пищу полимерного гидрогеля изменяется в зависимости от времени гидратации и желательной концентрации питательных веществ и соли. Однако максимальное количество пригодного в пищу полимерного гидрогеля, хранящегося в бутылке, будет откорректировано так, чтобы он не мог абсорбировать поглотить всю жидкую фазу. Это предназначено для того, чтобы создать суспензию микрошариков, а не объемный гель.
Второй подход к этой специфической области применения состоит в использовании напитка как носителя вещества пригодного в пищу полимерного гидрогеля для создания эффекта увеличивающего объем агента. Для этой цели пригодный в пищу полимерный гидрогель в сухой форме покрывается белковой или макромолекулярной пленкой или другим подходящим защитным барьером, который не растворяется в воде или водных растворах, таким образом, предотвращая набухание гидрогеля в жидкости до проглатывания. Когда пригодный в пищу полимерный гидрогель попадает в желудок, покрытие растворится или гидролизуется, и пригодный в пищу полимерный гидрогель начнет набухать, таким образом увеличивая вязкость жидкости, присутствующей в желудке. Кроме того, с помощью этого защитного покрытия вещество может быть принято внутрь в большом количестве, устраняя необходимость приема внутрь большого количества заполненных ксерогелем капсул.
А. Вода длительной гидратации
Ингредиенты:
400 мл минеральной воды
3 г гидрогеля КМЦ/СА как в примере 10D
Как представлено на фигуре 1, пригодный в пищу полимерный гидрогель хранится в контейнере под крышкой, в непроницаемой для воды мембране. Перед питьем надавите с усилием на колпачок, разорвите мембрану и высыпьте гидрогель в воду (фигура 2). Гидрогель набухает в воде, создавая суспензию микрошариков, плавающих в воде. Теперь продукт готов к употреблению.
В. Увеличивающие объем агенты в напитках
Ингредиенты:
400 мл минеральной воды
3 г гидрогеля КМЦ/СА как в примере 10D
0,25 г Eudragit′a (компании Degussa)
Пригодный в пищу полимерный гидрогель помещается на слой флюидизатора и раствор Eudragit распыляется на частицы пригодного в пищу полимерного гидрогеля. Затем им дают высохнуть, прежде чем удалить со слоя флюидизатора.
Как представлено на фигуре 3, покрытый пригодный в пищу полимерный гидрогель хранится перед использованием в сухой форме под крышкой бутылки. Непосредственно перед использованием он высыпается в жидкость, оставаясь в сухой суспензии до тех пор, пока жидкость не будет проглочена и не достигнет желудка. Как только он попадет в желудок, покрытие исчезнет, и гидрогель освободится для набухания. С помощью этого способа значительное количество сухого вещества может быть принято внутрь без каких-либо проблем для пациента.
С. Протеиновый коктейль
Частицы КМЦ/СА (10-250 мкм) используются как есть, или покрытые протеинами и/или жирами добавляются к протеиновому коктейлю (8 унций ванильного молока без подсластителя, 1 ложка протеинового порошка, капля лимона, полная ложка йогурта, и клубника, голубика, малина или ежевика), смешиваются и подаются.
Коктейль, содержащий частицы КМЦ/СА, в желудке превратится в полутвердое вещество и поэтому останется там на более длительный промежуток времени и создаст более интенсивное чувство насыщения по сравнению с обычным протеиновым коктейлем.
Пример 23 Модифицированные кексы и выпечка
Эта часть данного изобретения описывает новый тип кексов, которые способны обеспечить долговременное насыщение при низком содержании калорий, и при этом сохраняя внешний вид и вкус кексов. Сюда относятся кексы и специфический тип мороженого: гиацциоли (сосулька).
Для производства кексов, сверхабсорбирующий гидрогель, описанный выше, будет использоваться в уже частично или полностью набухшем состоянии, с потенциальным добавлением ароматизаторов или красителей.
А. Модифицированное канноло (вафельная или слоеная трубочка с начинкой)
Ингредиенты 500 г муки 00;
2 яичных желтка
25 г спирта
20 г нутряного сала (жир)
красное вино
КМЦ/СА гидрогель (пример 15А.)
краситель
лимонный ароматизатор
1) Трубочка канноло:
а) Положите муку в большую миску; добавьте желтки, спирт и вино в середину муки и перемешайте, пока вся масса не станет очень вязкой.
б) Прикройте массу полотенцем на 1/2 часа.
в) Раскатайте тесто в листовую форму (толщиной 2/3 мм) и разрежьте его 30 на круглые кусочки (диаметр 10 см).
г) Оберните эти кусочки вокруг цилиндрических формочек и обжарьте их в кастрюле на нутряном сале.
д) Как только эти кусочки будут обжарены, дайте им остыть и затем удалите формочки.
2) Начинка канноло:
а) Погрузите сухой порошок гидрогеля в водный раствор, содержащий лимонный ароматизатор и краситель. Гидрогель абсорбирует раствор, перейдя из стеклообразного сухого состояния в гелеподобное набухшее состояние.
б) Положите набухший гидрогель внутрь внешних цилиндрических порций и подавайте охлажденным.
В. Шоколадный бисквит 1
Ингредиенты
4 целых яйца
1 чашка сахарного песка
1 1/2 столовой ложки маргарина, расплавленного
1/4 чашки какао, просеянного
4 столовые ложки кипящей воды
1 1/8 чайной ложки муки для быстроподнимающегося теста
1/3 чашки Hi-maize 260 устойчивого кукурузного крахмала
Приготовление:
1. Нагрейте печь до 350°F.
2. Слегка смажьте маслом 9-дюймовую форму для пирога и выстелите дно вощеной бумагой.
3. Взбейте яйца электрическим миксером до состояния взбитой массы, затем постепенно добавьте сахар и взбейте снова в течение 15 минут.
4. Смешайте масло, какао и кипящую воду и добавьте в яичную смесь.
5. Просейте муку и затем просейте снова над яичной смесью.
6. Добавьте Hi-maize устойчивый кукурузный крахмал и осторожно перемешайте.
7. Положите смесь в подготовленную форму для пирога.
8. Выпекайте в течение приблизительно 50 минут или до затвердевания.
9. Охладите.
Бисквит получится красивым и плотным.
С. Шоколадный бисквит 2
Ингредиенты 4 целых яйца 1 чашка сахарного песка
1 1/2 столовой ложки маргарина, расплавленного
1/4 чашки какао, просеянного
4 столовые ложки кипящей воды
1 1/8 чайной ложки муки для быстроподнимающегося теста
1/6 чашки Hi-maize 260 устойчивого кукурузного крахмала
1 столовая ложка КМЦ/СА гидрогеля (пример 15А)
Приготовление:
1. Нагрейте печь до 350°F.
2. Слегка смажьте маслом 9-дюймовую форму для пирога и выстелите дно вощеной бумагой.
3. Взбейте яйца электрическим миксером до состояния взбитой массы, затем постепенно добавьте сахар и взбейте снова в течение 15 минут.
4. Смешайте масло, какао и кипящую воду и добавьте в яичную смесь.
5. Просейте муку и затем просейте снова над яичной смесью.
6. Дайте набухнуть карбоксиметил целлюлозному полимеру, поперечно-сшитому лимонной кислотой, в 1/6 чашке теплой воды.
7. Добавьте Hi-maize устойчивый кукурузный крахмал и осторожно перемешайте.
8. Добавьте, медленно перемешивая, смесь Hi-maize устойчивого кукурузного крахмала / карбоксиметил целлюлозного полимера, поперечно-сшитого лимонной кислотой, с вышеупомянутыми ингредиентами.
9. Положите смесь в подготовленную форму для пирога.
10. Выпекайте в течение приблизительно 50 минут или до затвердевания.
11. Охладите.
Шоколадный бисквит получится красивым и имеющим хорошую структуру.
D. Замороженный сироп
Ингредиенты:
КМЦ/СА гидрогель
краситель;
ароматизатор
Поместите сухой порошок гидрогеля в миску с водным раствором, содержащим ароматизатор и краситель. Гидрогель абсорбирует раствор, переходя из стеклообразного сухого состояния в гелеподобное набухшее состояние. Залейте набухший гидрогель в форму и поместите эту форму в морозильник при температуре между -4 и -10°С. Выньте продукт из формы и подавайте замороженным.
Этот замороженный сироп изделие не будет капать при нагревании до комнатной температуры, поскольку гидрогель удержит воду.
Пример 24. Сравнение КМЦ/СА гидрогеля с обычными пищевыми волокнами
КМЦ/СА гидрогель был приготовлен как детально описано в Примере 15В (6% КМЦNa; 18% сорбит; 0,06% лимонная кислота, поперечная сшивка в течение 210 минут при 80°С, давление окружающей среды). Реологические свойства этого гидрогеля были сравнены, при помощи стандартных способов, со свойствами подорожника, гуаровой смолы и глюкоманнана.
Фигура 4 демонстрирует, что набухший сверхабсорбирующий гидрогель создает значительно более высокую вязкость в SGF (и SIF - данные не показаны) по сравнению с пищевыми волокнами: подорожника, гуаровой смолы и глюкоманнана.
Фигуры 5 и 6 описывают эффект концентрации в SGF, где в отличие от пищевых волокон, гидрогель оказывает значительное влияние на вязкость даже в маленьких концентрациях (подобные данные были получены в SIF - данные не показаны). Это важно, так как употребление коммерческих волокон ограничивается их неблагоприятными эффектами для желудочно-кишечного тракта, что ограничивает их суточную дозу -10 г (которая составляет 1% полного желудка), в то время как при подобной концентрации гидрогель имеет существенную вязкость.
Увеличение вязкости вместе с увеличением эластичности пригодного в пищу полимерного гидрогеля создаст насыщение из-за механического растяжения, медленной скорости опустошения желудка, медленной скорости абсорбции глюкозы и жиров и увеличит насыщение, уменьшит потребление пищи, что приведет к лучшему регулированию веса и гликемическому контролю.
Пример 25 Геометрия КМЦ/СА и глюкоманнана в воде
Реометрия (G′ и G″) 2 типов КМЦ/СА (с коротким и длительным временем поперечной сшивки: 15 часов - КМЦ/СА-А005 и 36 часов - КМЦ/СА-А001) и глюкоманнана была измерена в дистиллированной воде.
Гидрогель КМЦ/СА был приготовлен с помощью способа, сходного с способом в примере 15В.
Вещество
G′ при 10 рад/с (Па)
G″ при 10 рад/с (Па)
Глюкоманнан 1% в воде
39,75
35,50
Глюкоманнан 2% в воде
218,57
157,77
КМЦ/СА-А005 1% в воде (15 часов поперечной сшивки)
1307,18
184,31
КМЦ/СА-А005 2% в воде (15 часов поперечной сшивки)
2222,54
323,19
КМЦ/СА-А001 1% в воде (36 часов поперечной сшивки)
2095,64
814,09
КМЦ/СА-А001 2% в воде (36 часов поперечной сшивки)
2970,92
983,82
Результаты также показывают, что в стандартных условиях (в воде) и при сходных концентрациях реология КМЦ/СА была лучше, чем у глюкаманнана.
Примеры 26-29 Исследования In Vivo
Все исследования на животных в примерах были одобрены соответствующими комитетами Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) и Committee for Animal Protection. Процедуры, использованные в следующих исследованиях, были разработаны в соответствии с принятой практикой для того, чтобы минимизировать или избежать причинения боли, расстройства или дискомфорта у животных. В этих обстоятельствах, при которых требуемые процедуры исследования могли вызвать больше чем непродолжительную или небольшую боль или расстройство, животные получали соответствующие анальгезирующие или анестезирующие средства, если отказ этих средств не был оправдан в письменной форме Директором исследования и одобрен комитетом Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC).
Пример 26 Уменьшение потребления пищи у крыс при введении SAP в различных группах крыс
КМЦ/СА гидрогель был приготовлен, и экспериментальные условия были такими же, как в примере два. Однако, по сравнению с примером один, были использованы три разные группы крыс. Первая группа крыс получала очень жирную диету (например, 20% корма по весу составляли жиры) для стимуляции увеличения веса животных. Вторая группа состояла из более старых животных, которые также прибавляли в весе в течение долгого времени. Третья группа состояла из крыс, которые по возрасту соответствовали первой группе и были моложе по сравнению со второй группой, но питались нормальной диетой.
Как наблюдалось во втором примере, КМЦ/СА гидрогель вызывал значительное уменьшение потребления пищи по сравнению с водным контролем в схеме с теми же пациентами.
Пример 27 Уменьшение потребления пищи у крыс при введении КМЦ/СА гидрогеля
Всего 21 самец крыс Sprague-Dawley был рандомизировано распределен по двум согласованным по весу группам (10-11 на группу) до введения гидрогеля или наполнителя (гидрогель был предварительно набухшим в воде, 100 мг на 10 мл воды). Крысы, весившие приблизительно 400 граммов, были помещены в стандартную клетку и получали стандартную диету крысиного корма. Животные содержались при 12-часовом цикле света и темноты. За четыре часа до выключения света у крыс забирали пищу (фигура 7). В те дни, когда крысы подвергались экспериментальной обработке, животным вводили перорально при помощи зонда гидрогель, который до введения через зонд предварительно набухал в воде, или аналогичный объем воды (например, использовалось 8 мл полимера или 8 мл воды) до выключения света. Спустя три дня, в классической схеме с теми же пациентами, животные, которые получали воду, получали полимер, и наоборот. Проводился мониторинг приема пищи и воды (цифровой баланс), а также двигательной активности (последовательные пересечения луча) каждые 5 минут в течение 40 часов после введения дозы. Данные приема пищи и воды собирались при помощи MaNi FeedWin, компьютеризированной онлайн системы подачи, с использованием цифровых клеток для взвешивания. Был проведен мониторинг двух типов: исходные данные приема пищи (цифровой баланс) и число облизываний. Все данные заносились в крупноформатные таблицы Excel и впоследствии подвергались соответствующему статистическому анализу. Результаты на фигуре 6 представлены в виде среднего ±SEM, если не заявлено иначе. Статистическая оценка данных выполнялась при помощи одностороннего или двухстороннего дисперсионного анализа (ANOVA).
Фигура 8 представляет типичный результат исследования. На графике представлено суммарное потребление по времени. Не было никакого различия между группами в начальной точке (время = 0). Введение через зонд 8 мл гидрогеля привело к значительному уменьшению потребления пищи. Как было продемонстрировано, гидрогель вызывал заметное уменьшение потребления пищи, которое сохранялось более 18 часов. Эти данные предполагают, что введение гидрогеля приводит к уменьшению потребления пищи из-за эффекта заполнения желудка, более медленного времени опустошения желудка и небольшого кишечного эффекта, все эти эффекты в комбинации могут вызвать насыщение у млекопитающих на более длительный промежуток времени, чем может обеспечить только один наполнитель желудка. Кроме того, в предыдущем эксперименте (Пример 20) мы отметили, что желудок крыс опустошался спустя 60-120 минут (см. также, например, Tomlin et al., где сообщалось, что время половинного опустошения составляло меньше 20 минут; Tomlin. J. et al. Gut. 1993, 34 (9):1177-1181). Расширенный эффект был достигнут более медленным временем опустошения и насыщением, вызванным повторным набуханием полимера в тонком кишечнике.
Пример 28 Уменьшение потребления пищи у крыс при введении КМЦ/СА гидрогеля в различных группах крыс
Приготовление КМЦ/СА гидрогеля и экспериментальные условия были такими же, как в Примере 26. Однако по сравнению с примером 26 было использовано три различные группы крыс. В этом эксперименте использовались три различные группы крыс. Первая группа крыс получала очень жирную диету (например, 20% корма по массе составляли жиры) для стимуляции увеличения веса животных. Вторая группа состояла из более старых животных, которые также все время прибавляли в весе. Третья группа состояла из крыс с возрастом, соответствующим крысам первой группы, и была моложе по сравнению с крысами второй группы, но получала нормальную диету.
КМЦ/СА гидрогель вызвал значительное уменьшение потребления пищи по сравнению с водным контролем в схеме с теми же пациентам.
Пример 29 Острые эффекты КМЦ/СА гидрогеля на расход энергии, продуцирование мочи и продуцирование кала
Поведенческая специфичность гидрогеля была оценена одновременным анализом расхода энергии, продуцирования мочи и продуцирования кала. Исследование было проведено на самцах крыс Sprague-Dawley, с субхроническим пероральным введением гидрогеля (10 мл через зонд, один раз в день).
Субхроническое введение гидрогеля в течение четырех дней не влияло на продуцирование мочи, или кала, или на процент содержания воды в фекалиях. Эти данные указывают, что веденный гидрогель расщепляется в ЖК тракте и не выводится интактным.
Крысы потребляли меньше пищи (фигура 8). Этот результат указывает, что введение этого гидрогеля должно привести к снижению веса за достаточные периоды времени.
Пример 30 Моделирование In Vitro прохождения КМЦ/СА гидрогеля через ЖК тракт
Фигура 9 иллюстрирует цикл набухание - разложение - повторное набухание - расщепление, который наблюдался в лабораторных опытах in vitro. Используемым полимером был КМЦ/СА гидрогель.
Искусственная желудочная жидкость (SGF) была приготовлена растворением 2,0 г хлорида натрия, 3,2 г пепсина и 7,0 мл концентрированной (37%) HCl в дистиллированной воде так, чтобы общий объем раствора составлял 1 л (USP Test Solution Method).
Вышеупомянутый раствор SGF был смешан с водой в соотношении SGF:вoдa - 1:8, что примерно соответствует человеку, съевшему какое-либо вещество на пустой желудок (50 мл желудочного сока) и запившему его двумя стаканами воды (400 мл).
Искусственная кишечная жидкость (SIF) была приготовлена добавлением 190 мл 0,2 н. NaOH, 400 мл дистиллированной воды и 10 г панкреатина к водному раствору гидрофосфата калия, регулированием рН полученного раствора до 7,5 и добавлением дистиллированной воды для получения раствора с общим объемом 1 л (USP Test Solution Method). Искусственная жидкость толстой кишки (SCF) была приготовлена заменой панкреатина на пектиназу в вышеупомянутом препарате искусственной кишечной жидкости.
Фигура 9 демонстрирует уникальные свойства гидрогеля реагировать на рН окружающей среды. Гидрогель набухает в желудке и затем сжимается в реакции с экскретируемой желудочной жидкостью; сжатый гидрогель повторно набухает в тонком кишечнике и расщепляется только в толстой кишке. Волокна не набухают (хотя они оказывают влияние на вязкость, смотри Пример 20), в то время как гидрогель набухает от 50 до 150 раз в среде ЖК тракта (и от 500 до 3000 раз в воде).
Пример 31 Исследование насыщения человека КМЦ/СА гидрогелем
Для измерения эффективности КМЦ/СА гидрогеля было проведено клиническое исследование. В испытание было включено в общей сложности 97 пациентов, которые были вслепую разделены на три группы. При каждом приеме пищи одна группа получала 2 г дозу гидрогеля, в то время как остальные получали плацебо (тростниковый сахар) того же веса, структуры и цвета, как и гидрогель.
Как показано в Таблице 9, следуя используемому способу, пациенты каждой из этих трех групп получали КМЦ/СА гидрогель только в одном из трех ежедневных приемов пищи (завтрак, ланч или обед), в двух других приемах пищи они получали плацебо. Каждый прием пищи, в котором группа получала гидрогель, отмечен в Таблице 9 звездочкой. Исследование проводилось три дня в неделю, или точнее один раз в каждые четыре дня (день 1, день 4, день 7), так, чтобы каждая группа получала гидрогель во время каждого приема пищи.
Таблица 9.
План исследования
День 1
День 4
День 7
Завтрак
Группа А*
Группа В*
Группа С*
Группа В
Группа А
Группа А
Группа С
Группа С
Группа В
Ланч
Группа В*
Группа С*
Группа А*
Группа А
Группа А
Группа В
Группа С
Группа В
Группа С
Обед
Группа С
Группа А*
Группа В*
Группа А
Группа В
Группа С
Группа В
Группа С
Группа А
Пациентами являлись здоровые добровольцы (студенты, доктора, внутренний персонал госпиталя) и амбулаторные больные, не подверженные тяжелому ожирению. Исследование было проведено в Италии. В целом, пациенты съедали очень маленький завтрак и маленький ланч. Обед был главным приемом пищи за день.
i) Резюме Плана исследования:
(1) 97 пациентов со средним BMI (индексом массы тела) около 31
(2) КМЦ/СА гидрогель - 2 г
(3) Двойная слепая, контролируемая плацебо, перекрестная схема.
Для анализа результатов испытания был выполнен описательный статистический анализ. Этот анализ показал, что в некоторых случаях присутствие выбросов исказило результаты. Для отделения эффекта выбросов и для приведения в порядок результатов описательного анализа был проведен дедуктивный анализ.
В частности, была проведена линейная регрессия для изучения зависимости между возрастающей эффективностью гидрогеля относительно плацебо и независимых переменных, таких как: BMI, пол, возраст, степень ожирения, время введения (завтрак, обед, или обед) и степень голода перед каждым приемом пищи.
Поэтому регрессионная модель приняла форму:
1
2
3
4
5
6
ΔЕ=α+βBMI+βGEN+βЕТА′+βOВЕ+βPASTO+βFАМЕ+ε,
где ΔЕ = возрастающая эффективность гидрогеля по сравнению с плацебо, вычисленная как разность между чувством насыщения непосредственно сразу, спустя 30 минут и спустя 60 минут после приема гидрогеля, и по сравнению с чувством насыщения после приема плацебо;
- α = точка пересечения модели;
1
- βBMI = влияние BMI на возрастание эффективности;
2
- βGEN = влияние женского гена на возрастание эффективности. Переменная GEN была создана как "плацебо", которая принимает значение 0 для пациентов-мужчин и 1 для пациентов-женщин;
3
- βАСЕ = влияние возраста на возрастание эффективности;
4
- βOВЕ = влияние степени ожирения на возрастание эффективности;
6
- βМЕАL = влияние времени введения гидрогеля на возрастание эффективности. Эта переменная принимает значение 1, если гидрогель был введен перед завтраком, 2, если перед ланчем, и 3, если перед обедом;
6
- βHUNGER = влияние ощущения голода во время введения на возрастание эффективности; и
- ε = необъясненная остаточная часть модели.
ii) Результаты:
(1) Превосходный профиль безопасности
(2) Основываясь на анкетном опросе самооценки, в котором каждого пациента просили установить их чувство голода перед каждым приемом пищи и затем их чувство насыщения немедленно, 30 минут и спустя 60 минут после каждого приема пищи, мы отметили статистически значимое увеличение насыщения после приема пищи на ~16% по сравнению с плацебо, измеренного по визуальным аналоговым шкалам (VAS).
Пример 32 Определение модуля упругости, вязкости и коэффициента набухания
А. Определение модуля упругости
Модуль упругости определялся при помощи способа, описанного ниже. Стандартная среда набухания - дистиллированная вода, если не указано иначе. Средой набухания также могла являться смесь искусственной желудочной жидкости (SGF) и воды 1:8 или искусственная кишечная жидкость (SIF).
Если не указано иначе, концентрация тестируемого полимерного вещества в среде составляет 0,67%. В 150 мл мензурку было добавлено 300 мг тестируемого полимерного вещества вместе со средой для набухания (45 мл). Мензурку закрывали пленкой, покрывалась пленкой Parafilm, и раствор перемешивали на магнитной мешалке при комнатной температуре (25°С) в течение 60 минут на высокой скорости вращения (600 об/мин).
Тесты проводили при комнатной температуре с помощью параллельных пластин (диаметр 25 мм) реометра (АРЕС 509953791Т, Rheometric Scientific, Inc). Для предотвращения любого скольжения между веществом и пластинами во время теста на поверхности каждой пластины закреплялась абразивная бумага.
Набухшие образцы помещали между пластинами реометра в цилиндрическую форму, которая вращалась при помощи кольца из нержавеющей стали с внутренним диаметром 25 мм (затем кольцо удалялось).
Тесты качания частоты выполнялись при 1% натяжении в диапазоне между 0,1 и 50 рад/с.
Программное обеспечение (RSI Orchestrator от компании «Rheometric Scientific Inc.») можно приобрести и записать на жестком диске ПК сигналы, поступающие от датчика реометра. G′ и G″ вычислены с помощью программного обеспечения по следующим уравнениями:
<mrow><msup><mi>G</mi><mo>′</mo></msup><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>γ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>cos</mi><mi>δ</mi></mrow>
<mrow><msup><mi>G</mi><mo>″</mo></msup><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>γ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></msup><mi>δ</mi></mrow>
,
0
0
где ω - применяемая частота, τ - полученный вращающий момент, γ - применяемое напряжение, δ - смещение.
В. Определение вязкости
Вязкость определялась при помощи способа, описанного ниже. Стандартная среда набухания - дистиллированная вода, если не указано иначе. Средой набухания также могла являться смесь искусственной желудочной жидкости (SGF) и воды 1:8 или искусственная кишечная жидкость (SIF). Если не указано иначе, концентрация тестируемого полимерного вещества в среде составляет 0,67%. В 150 мл мензурку было добавлено 300 мг тестируемого полимерного вещества вместе со средой для набухания (45 мл). Мензурку закрывали пленкой, покрывалась пленкой Parafilm, и раствор перемешивали на магнитной мешалке при комнатной температуре (25°С) в течение 60 минут на высокой скорости вращения (600 об/мин).
Тесты проводили при комнатной температуре с помощью параллельных пластин (диаметр 25 мм) реометра (АРЕС 50995379 IT, Rheometric Scientific, Inc). Для предотвращения любого скольжения между веществом и пластинами во время теста на поверхности каждой пластины закреплялась абразивная бумага.
Набухшие образцы помещали между пластинами реометра в цилиндрическую форму, которая вращалась при помощи кольца из нержавеющей стали с внутренним диаметром 25 мм (затем кольцо удалялось).
Измерения вязкости выполняли в диапазоне качания частоты от 0,05% до 10% натяжения. Если не указано иначе, значения вязкости, представленные здесь, являются результатом, измеренным при 0,5% натяжении.
С. Определение коэффициента набухания
Стандартная среда набухания - дистиллированная вода, если не указано иначе. Средой набухания также могла являться смесь искусственной желудочной жидкости (SGF) и воды 1:8 или искусственная кишечная жидкость (SIF).
Если не указано иначе, концентрация тестируемого полимерного вещества в среде составляет 0,67%. В 150 мл мензурку было добавлено 300 мг тестируемого полимерного вещества вместе со средой для набухания (45 мл). Мензурку закрывали пленкой, покрывалась пленкой Parafilm, и раствор перемешивали на магнитной мешалке при комнатной температуре (25°С) в течение 60 минут на высокой скорости вращения (600 об/мин). Содержимое мензурки переносили в воронку фильтра и вакуумировали в течение 3 минут под давлением примерно 300 мбар.
Литература
1. Sannino A. et al., polymer 2005; 46:4676.
2. Silverstein R.M., et al. Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley, 1991, p.120-130.
3. Peppas NA, edible polymer hydrogels in Medicine and Pharmacy; CRC Press, Boca Raton, Florida, 1987, p.29.
4. Coma V et al., Carbohydrate polymers 2003; 5 1:265-271.
5. Xie XS and Liu Q, Starch 2004, 56:364.