СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕКТАТА КАЛЬЦИЯ
METHOD FOR PREPARING CALCIUM PECTATE

Изобретение относится к способам получения пектата кальция и может быть использовано в различных отраслях промышленности и медицины, в частности фармацевтической промышленности для изготовления энтеросорбентов.
Пектат кальция представляет собой нерастворимую в воде кальциевую соль пектовой кислоты. Пектовая кислота является растительным полисахаридом.
Пектовая кислота в природе встречается достаточно редко в составе клеточных стенок в некоторых растениях. В промышленности ее обычно получают деэтерификацией пектиновой кислоты (пектина). Основой пектовой и пектиновой кислот является поли-D-галактуроновая кислота. В пектиновой кислоте часть остатков D-галактуроновой кислоты находится в форме метиловых эфиров. Если доля таких остатков составляет менее 50%, то такая пектиновая кислота считается низкоэтерифицированной. Полностью деэтерифицированная, то есть не содержащая метиловых эфиров или содержащая незначительное их количество пектиновая кислота называется пектовой кислотой, а ее соли - пектатами или полигалактуронатами.
Пектовая кислота и ее соли - пектаты, в настоящее время, рассматриваются в качестве перспективных природных сорбентов, которые могут найти широкое применение в качестве лечебно-профилактических средств при отравлениях солями тяжелых металлов и радионуклидами, при пищевых и бактериальных токсикозах, гепатитах и для нормализации липидного обмена.
Промышленностью выпускаются, в основном, растворимые пектаты (натриевые, калиевые и аммониевые соли пектовых кислот), которые представлены на мировом рынке в широком ассортименте. По сравнению с ними объемы производства пектата кальция незначительны, и он выпускается в основном для технических целей. По понятным причинам такой продукт по качеству не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям на пищевые и медицинские продукты. В то же время пектат кальция как этеросорбент имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с растворимыми пектатами.
Характерной особенностью растворимых пектатов является их способность образовывать вязкие растворы, благодаря чему они широко используются в различных отраслях промышленности в качестве эффективных загустителей. Растворимость и загустительные свойства являются серьезным недостатком в тех ситуациях, когда для достижения нужного терапевтического результата необходимо вводить достаточно большие дозы препарата - до 10-15 г/ день, а в ряде случаев - до 45 г/день. В этом плане пектат кальция выгодно отличается от других пектатов тем, что он практически не растворим в воде и может использоваться для приема пациентами в любых необходимых количествах как в сухом виде, так и в форме концентрированной суспензии.
Так как пектат кальция практически не влияет на реологические свойства большинства пищевых продуктов, он может быть включен в их состав в необходимом количестве в качестве биологически активной добавки.
Другим существенным недостатком всех коммерчески выпускаемых пектатов является их характерный привкус. Пектат кальция не имеет привкуса и не нарушает, таким образом, вкуса продукта, к которому добавляется.
Общим недостатком всех сорбентов - хелаторов, образующих прочные комплексы с ионами металлов, является их способность связывать и выводить из организма кальций, нарушая, таким образом, его обмен, что может со временем привести к серьезным последствиям. Пектат кальция в отличие от других сорбентов не нарушает баланса кальциевых солей в организме.
Широко известным способом получения пектата кальция является метод, положенный в основу количественного определения пектиновых веществ в экстрактах (Kertesz Z.J. The Pectic Substances. - N.Y.-L., 1951. - P.225-226).
Согласно этому методу к 300 мл разбавленного (0,01%-ного) раствора пектина добавляют 100 мл 0,1 N раствора NaOH и подвергают деэтерификации в течение нескольких часов при комнатной температуре.
Затем к полученному раствору пектата натрия добавляют при перемешивании 50 мл 0,1 N уксусной кислоты и 50 мл 1М раствора хлористого кальция. Смесь оставляют на 1 час для формирования осадка пектата кальция, затем кипятят несколько минут и фильтруют через бумажный фильтр. Осадок пектата кальция промывают несколькими порциями воды и сушат при 100°С.
Недостатком данного метода является использование водных растворов пектатов, которые, как известно, обладают высокой вязкостью, и поэтому их эффективная технологическая обработка возможна только при низких концентрациях полисахаридов - не более 1-2%.
Это вызывает необходимость переработки больших объемов растворов и использования технологического оборудования соответствующих размеров.
Другим недостатком является то, что при осаждении из водных растворов пектат кальция выпадает в виде объемного, сильно обводненного геля (содержание сухих веществ составляет 0,4-2,0%), дальнейший отжим и промывка которого представляет достаточно трудоемкий процесс и требует специального оборудования.
Следует также отметить, что в фармацевтической промышленности часто удобнее получать пектат кальция не из растительного сырья, а непосредственно из пектатов.
Это связано с тем, что в современной медицине ощущается потребность в достаточно широком ассортименте пектатов кальция, различающихся, например, по сорбционным свойствам, степени набухаемости и адгезии. Ассортимент выпускаемых промышленностью пектовой кислоты и ее водорастворимых солей насчитывает несколько сотен марок и типов, различающихся по составу и физико-химическим свойствам, что позволяет получать на их основе разные типы пектатов кальция с различными свойствами и в соответствующем ассортименте.
13
16
Наиболее близким к заявленному способу является способ получения галактуроната (галактурата) кальция путем взаимодействия галактуроната натрия с хлоридом кальция в водной среде (Авторское свидетельство СССР №1432064, кл. С08В 37/04). Данный способ отличается тем, что, с целью интенсификации процесса взаимодействия, галактуронат натрия подвергают взаимодействию в виде эмульсии его водного раствора в гидрофобной жидкости, стабилизированной 12,5 об.% ПАВ (поверхностно-активного вещества), а хлористый кальций в виде микроэмульсии, содержащей 4,8-5,6 об.% 40%-ного водного раствора хлористого кальция, 23-24 об.% ПАВ и 71-72 об.% гидрофобной жидкости. В качестве гидрофобной жидкости используют алканы состава С-С или минеральное масло, а в качестве ПАВ - оксиэтилированные эфиры жирных кислот и сорбита.
Способ осуществляют следующим образом. Готовят 8 мл 25%-ного раствора ПАВ - оксиэтилированного эфира синтетических жирных кислот и сорбита твина-81 и его насыщают 0,2 мл воды. Затем при перемешивании добавляют 8 мл 9%-ного водного раствора галактурата натрия. К полученной эмульсии добавляют при перемешивании микроэмульсию хлористого кальция, приготовленную смешением 15,1 мл 25%-ного раствора твина в гексадекане и 0,9 мл 40%-ного водного раствора хлористого кальция. Перемешивание осуществляют в течение 10 мин. Затем систему выдерживают без перемешивания в течение двух часов при комнатной температуре. Весь объем суспензии переносят в пробирку, и суспензию отделяют центрифугированием при 3000 об/мин в течение 15 мин. Затем суспензию отмывают от масляной фазы ацетоном или спиртом, промывают водой и снова ацетоном или спиртом. Полученный продукт сушат в эксикаторе под вакуумом.
Недостатками указанного способа являются:
а) использование водного (хотя и концентрированного) раствора пектата (полигалактуроната), что приводит к формированию достаточно обводненного геля пектата кальция (расчетное содержание сухих веществ геля - менее 9%) и связано с дополнительными затратами на его обезвоживание и сушку;
б) использование органических растворителей (масел, алканов, ацетона) и ПАВ, необходимых для создания условий для интенсификации ионного обмена между вязкими растворами полисахаридов и концентрированным раствором хлористого кальция;
в) многостадийность и технологическая сложность процесса.
Задачей, поставленной перед изобретением, является упрощение процесса получения пектата кальция.
Поставленная задача решается тем, что согласно известному способу обработку пектатсодержащего продукта проводят водным раствором соли кальция, при этом в соответствии с заявленным изобретением в качестве пектатсодержащего продукта берут пектовую кислоту или ее водорастворимые соли, причем исходный пектатсодержащий продукт берут в сухом виде и обрабатывают его водным раствором соли кальция с концентрацией не менее 0,6 моль/л.
В качестве соли кальция берут соли кальция, способные образовывать растворы концентрацией не менее 0,6 моль/л, в частности хлорид кальция, нитрат кальция, ацетат кальция.
Использование исходных пектатсодержащих продуктов в сухом виде для получения целевого продукта препятствует их растворению или существенному набуханию в процессе реакции за счет быстрого образования нерастворимой кальциевой соли, т.е. пектата кальция.
В качестве пектатсодержащего продукта рекомендуется использовать пектовую кислоту или ее водорастворимые соли, поскольку именно с этими соединениями возможно проведение реакции обмена с концентрированными растворами солей кальция.
Главным условием практического осуществления предлагаемого способа является создание в реакционной среде определенной концентрации соли кальция - достаточно высокой для того, чтобы скорость ионного обмена, в результате которого образуется нерастворимая кальциевая соль полисахарида, намного превышала скорость гидратации молекул полисахарида - процесса, приводящего к набуханию и растворению гранул порошка полисахарида.
Минимальное допустимое значение концентрации соли кальция составляет 0,6 моль/л. При использовании концентрации соли кальция ниже этого значения происходит слишком большое набухание и соответственно увеличение объема гранул порошка полисахарида, что приводит к существенному снижению их механической прочности, слипанию и превращению в однородную массу, плохо поддающуюся дальнейшей обработке - промывке, фильтрации и сушке.
Напротив, верхний предел концентрации соли кальция ограничен только растворимостью данной соли и составляет, в частности, для хлористого кальция 4-5 моль/л при нормальных условиях (комнатной температуре и атмосферном давлении). Использование более концентрированных растворов, полученных, например, при повышенной температуре, технически возможно, но практически нецелесообразно, так как не приводит к какому-либо заметному улучшению технологического процесса и качества получаемого продукта, но вызывает перерасход соли кальция и необходимость последующего удаления ее избытка из готового продукта.
В научной и патентной документации заявителем не обнаружены существенные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о том, что заявленное изобретение соответствует критериям патентоспособности изобретения «новизна» и «изобретательский уровень».
Способ осуществляют следующим образом.
Сухой порошок пектовой кислоты или ее водорастворимой соли смешивают с водным раствором соли кальция, концентрацией не менее 0,6 моль/л. Смесь тщательно перемешивают, выдерживают не менее 10 минут, затем полученный пектат кальция отделяют от водной фазы (если таковая образуется) декантацией, центрифугированием или фильтрацией. В случаях, когда требуется дополнительная очистка от водорастворимых примесей, включая остатки солей или кислот, полученный пектат кальция промывают водой, затем отделяют жидкую фазу, например фильтрацией или центрифугированием. Полученный влажный пектат кальция сушат в обычных полочных конвекционных сушилках или сушилках других конструкций. Выход готового пектата кальция зависит от качества исходного сырья и составляет не менее 90% по уроновым кислотам.
Пример 1. 100 г сухого порошка пектата натрия, содержащего 68,4% пектовой кислоты, высыпают при постоянном перемешивании в емкость, содержащую 400 мл 2,0М раствора хлорида кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученную суспензию пектата кальция фильтруют через капроновый фильтр под небольшим вакуумом (0,01-0,03 МПа). Осадок пектата кальция на фильтре промывают 1000 мл воды для удаления солей и сушат в сушильном шкафу при атмосферном давлении и температуре 70-90°С.
Выход сухого пектата кальция составляет 96,2 г. Полученный продукт содержит 67,7% пектовой кислоты и 8,3% кальция.
Пример 2. 100 г сухого порошка пектовой кислоты, содержащей 77,8% чистой пектовой кислоты, высыпают при постоянном перемешивании в емкость, содержащую 400 мл 2,0 М раствора ацетата кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученную суспензию пектата кальция обрабатывают как описано в примере 1.
Выход сухого пектата кальция составляет 105,5 г. Полученный продукт содержит 72,3% пектовой кислоты и 8,0% кальция.
Пример 3. 10 г сухого порошка пектата аммония, содержащего 70,2% пектовой кислоты, высыпают при постоянном перемешивании в емкость, содержащую 1000 мл 0,6 М раствора азотнокислого кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученную суспензию пектата кальция центрифугируют 15 минут при 1000 g, жидкую фазу сливают декантацией, осадок суспендируют в 200 мл воды и повторно центрифугируют. Жидкую фазу сливают, осадок повторно суспендируют в 200 мл воды и центрифугируют. Полученный осадок пектата кальция сушат в сушильном шкафу при температуре 70-90°С.
Выход сухого пектата кальция составляет 9,7 г. Полученный продукт содержит 67,0% пектовой кислоты и 9,5% кальция.
Пример 4. К 100 г сухого порошка пектата натрия, содержащего 68,4% пектовой кислоты, добавляют при постоянном перемешивании 50 мл 5,0 М раствора хлорида кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученный влажный порошок пектата кальция переносят на фильтр, промывают 1000 мл воды и сушат в сушильном шкафу при температуре 70-90°С.
Выход сухого пектата кальция составляет 98,6 г. Полученный продукт содержит 68,2% пектовой кислоты и 8,0% кальция.
Пример 5. К 100 г сухого порошка пектата натрия, содержащего 68,4% пектовой кислоты, добавляют при постоянном перемешивании 40 мл 5,0 М раствора хлорида кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученный влажный порошок пектата кальция, не промывая, сушат в сушильном шкафу при температуре 70-90°С.
Выход сухого пектата кальция составляет 122,0 г. Полученный продукт содержит 56,0% пектовой кислоты, 6,6% кальция, 19,5% хлорида натрия (образуется в ходе обменной реакции между пектатом натрия и хлоридом кальция).
Пример 6. К 100 г сухого порошка пектовой кислоты, содержащей 77,8% полигалактуроновой кислоты, добавляют при постоянном перемешивании 110 мл 2,0 М раствора ацетата кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученный влажный порошок пектата кальция, не промывая, сушат в сушильном шкафу при температуре 70-90°С.
Выход сухого пектата кальция составляет 109,3 г. Полученный продукт содержит 62,5% полигалактуроновой кислоты и 8,1% кальция.
Пример 7. К 100 г сухого порошка пектата натрия, содержащего 68,4% пектовой кислоты, добавляют при постоянном перемешивании 20 мл 5,0 М раствора хлорида кальция. Смесь перемешивают 10 минут. Полученный влажный порошок пектата кальция, не промывая, сушат в сушильном шкафу при температуре 70-90°С.
Выход сухого пектата кальция составляет 111,0 г. Полученный продукт содержит 61,5% пектовой кислоты, 3,6% кальция, 10,5% хлорида натрия. Данный продукт содержит кальций в количестве, существенно меньшем эквивалентного (примерно на 50%), и при контакте с водой сильно набухает, превращаясь в вязкую гелеобразную массу.
Преимуществом предлагаемого способа, по сравнению с известными, является то, что он, во-первых, позволяет осуществлять перевод любой растворимой соли или кислотной формы пектата в форму его кальциевой соли без применения каких-либо органических растворителей с использованием только водных растворов.
Во-вторых, перевод пектатов в форму кальциевой соли происходит без изменения агрегатного состояния полисахарида - частицы порошка полисахарида не только не успевают раствориться, но даже существенно набухнуть, и, в целом, сохраняют свою форму и достаточную жесткость. Это является принципиально важным моментом, так как позволяет достаточно легко и просто проводить дальнейшую технологическую обработку полученной кальциевой соли. Напротив, потеря частицами полисахарида механической прочности способствует их деформации, разрушению, слипанию и превращению в однородную желеобразную массу, что существенно затрудняет или делает невозможным технологические операции по отделению жидкой фазы, промывке и сушке (в обычных сушилках для сыпучих продуктов) полученного продукта.
Предлагаемый способ позволяет также получать неполные кальциевые соли пектовых кислот, то есть такие пектаты кальция, в которых содержание кальция меньше эквивалентного. Данные соединения могут представлять определенный практический интерес, например, в медицине, благодаря тому, что могут впитывать большое количество влаги, сильно набухать и образовывать сплошной гелеобразный слой на любой поверхности. Получение таких соединений обычным путем - осаждением из водных растворов - практически не осуществимо или трудно выполнимо, так как образующийся осадок неполного пектата кальция представляет собой желеобразную аморфную структуру, имеет слабую консистенцию и может быть частично растворим. Получение неполных пектатов кальция по предлагаемому способу может быть осуществлено, например, путем смешивания растворимых пектатов с концентрированным раствором соли кальция по методике, описанной в примере 7. При этом образуется влажный, достаточно плотный порошок неполного пектата кальция, который легко поддается сушке.
В экономическом плане существенным преимуществом предлагаемого способа является также высокое содержание сухих веществ в свежеполученном пектате кальция - 22-36% и более, в то время как свежеосажденный пектат кальция, полученный по традиционной технологии, содержит всего 0,4-2,0% сухих веществ. Поэтому для получения пектата кальция по предлагаемому способу требуется технологическое оборудование значительно меньших размеров, что позволяет компактно разместить производство даже на небольшом фармацевтическом предприятии. Кроме этого такое высокое содержание сухих веществ дает большую экономию энергии при сушке продукта - самой энергозатратной стадии процесса.