Анализ рынка капсулированных лекарственных препаратов и биологически активных добавок к пище (БАД) свидетельствует о пристальном внимании компаний производителей капсул к поиску альтернатив традиционно применяемому в данной области желатину [1]. Эта тенденция основана на закономерностях развития мирового потребительского рынка: экономической целесообразности вследствие удешевления сырья, спросом потребителей на капсулированные лекарственные препараты и БАДы с новыми и разнообразными характеристиками, удовлетворяющими широкий круг потребителей, в том числе не употребляющих продукты животноводства по религиозным и/или поведенческим (вегетарианцы) мотивам [2]. Все вышеперечисленные факторы обуславливают актуальность разработки технологии получения капсул на основе нетрадиционного сырья, в качестве которого могут выступать композиции из гидроколлоидов растительного происхождения [3].
Анализ мировой литературы свидетельствует, что в качестве альтернативы желатину для получения капсул могут применяться различные нейтральные и кислые растительные полисахариды: модифицированные и немодифицированные крахмалы, различные виды камедей и каррагинанов, пектины, производные целлюлозы – гидроксипропилметилцеллюлоза и карбоксиметилцеллюлоза [4]. Следует отметить, что Российская Федерация располагает как достаточными посевными площадями, так и производственной базой для получения большинства вышеперечисленных компонентов. Кроме того, кризис в животноводческой сфере, связанный с распространением инфекционных заболеваний (свиной грипп, губчатый энцефалит крупного рогатого скота) среди продуктивных животных, побочные продукты переработки которых применяются в качестве сырья для получения желатина, является дополнительным фактором, обуславливающим актуальность исследований по созданию композиций растительных полисахаридов, являющихся альтернативой желатину при производстве капсул [5,].
Целью данной работы являлась комплексная характеристика органолептических, физико-химических, оптических, реологических и структурно-механических свойств сырья и компонентов для получения капсул.
Материалы и методы исследований
Анализ органолептических и физико-химических свойств исследуемых образцов модифицированных (S1, S2, S4) и нативного (S3) кукурузного крахмала проводили в соответствии с ГОСТ 7698–93.
Анализ физико-химических свойств крахмалов проводили в соответствии с методами, приведенными в ГОСТ 7698–93. Массовую долю влаги определяли с использованием термостата КС-65 и аналитических весов ATL-220-d4-1 (Acculab, США). Массовую долю общей золы определяли с использованием муфельной печи ПЛ 10/2,5 (Россия) и аналитических весов ATL-220-d4-1 (Acculab, США). Для определения массовой доли протеина применяли аналитические весы ATL-220-d4-1 (Acculab, США), дигестор D8 (Foss Tecator, Швеция) и полуавтоматический анализатор азота/белка Kjeltec 8200 (Foss Tecator, Швеция). Для контроля наличия примесей других крахмалов использовали микроскоп BA300 (Motic, Канада).
Устойчивость различных видов крахмала при разных значениях pH определяли следующим образом: к раствору вещества добавляют определенное количество кислоты, а после эквивалентное количество щелочи. Если значение pH конечного раствора оказалось таким же, как и начального раствора, то это свидетельствует об обратимости реакций. Другими словами, исследуемое вещество химически инертно в исследуемом диапазоне pH. Если наблюдаются различия между значениями pH начального и конечного растворов, то это свидетельствует о том, что вещество химически было изменено в процессе эксперимента, а значит не устойчиво в исследуемом диапазоне рН. Использование такого вещества в промышленном процессе в условиях, когда оно не устойчиво, сопряжено с рядом сложностей.
Величину pH растворов регистрировали в непрерывном режиме с помощью pH-метра S20 (Mettler Toledo, Швейцария). В ходе измерения исследуемый раствор постоянно интенсивно перемешивали с помощью магнитной мешалки (Biosan, MMS-3000). Раствор соляной кислоты добавляли автоматической пипеткой, объемом 1 мл. Добавление раствора щелочи производили шприцом Hamilton. Объем добавляемой порции раствора щелочи составлял 10–25 мкл.
Кривые титрования водных растворов исследуемых гидроколлоидов были получены методом кислотно-основного титрования.
Перед началом эксперимента по титрованию к раствору добавляли соляную кислоту, смещая тем самым значение pH в кислую область. После этого титровали полученный раствор гидроксидом натрия.
Определить концентрацию активных групп позволяет анализ кривых титрования. Для раствора любого соединения, если оно устойчиво в исследуемом диапазоне рН, концентрация активных групп будет отсечена проекцией точки эквивалентности на ось абсцисс. При этом количество активных групп должно быть прямо пропорционально концентрации тестируемого компонента в растворе.
Результаты исследований и их обсуждение
Как видно из представленных данных (табл. 1), все исследованные образцы кукурузных крахмалов удовлетворяли требованиям эксперимента по массовой доле влаги (8,9–11,2 %), массовой доле протеина в пересчете на сухое вещество (0,15–0,31 %), количеству крапин на 1 дм2 ровной поверхности крахмала. Наличие диоксида серы (сернистого газа) не было выявлено ни в одном из исследованных образцов крахмала, что, по-видимому, свидетельствует о том, что он не применяется при технологических процессах их производства. При микроскопии исследованные образцы крахмалов характеризовались высокой однородностью, размер и форма крахмальных зерен соответствовали кукурузному крахмалу, что свидетельствовало об отсутствии в их составе примесей других крахмалов.
По результатам тестирования кислотности установлено, что среди исследованных образцов кукурузных крахмалов всем требованиям соответствовали только образцы S3 (нативный кукурузный крахмал) и S4. У всех образцов модифицированных крахмалов (S1, S2 и S4) величины массовой доли общей золы в пересчете на сухой вес превышали номинальное значение, установленное требованиями эксперимента. По-видимому, модификация кукурузного крахмала приводит к увеличению его зольности.
Зависимости рН растворов компонентов для получения капсул от концентрации добавляемой кислоты или щелочи определяли для растворов полисахаридов, концентрации которых приведены в табл. 2.
Величина pH раствора исследуемого вещества зависит как от химической природы вещества, так и от его концентрации, и может сильно варьироваться. Это следует учитывать при создании смесей для получения капсул. Результаты измерения собственных значений pH растворов исследуемых компонентов для получения капсул приведены в табл. 3.
Таблица 1
Результаты анализа физико-химических показателей кукурузных крахмалов
|
Показатель |
Образец |
Требования ГОСТ 51985–2002 / Технических требований |
Метод анализа |
|||
|
S1 |
S2 |
S3 |
S4 |
|||
|
Количество крапин на 1 дм2 ровной поверхности крахмала при рассмотрении невооруженным глазом |
54 |
14 |
16 |
34 |
Не более 300 |
ГОСТ 7698–93 |
|
Массовая доля влаги, % |
10,67 ± 0,01 |
11,17 ± 0,10 |
10,66 ± 0,33 |
8,92 ± 0,16 |
Не более 14 |
ГОСТ 7698–93 |
|
Массовая доля общей золы в пересчете на сухое вещество, % |
0,27 ± 0,03 |
0,25 ± 0,02 |
0,07 ± 0,01 |
0,653 ± 0,04 |
Не более 0,20 |
ГОСТ 7698–93 |
|
Массовая доля протеина в пересчете на сухое вещество, % |
0,15 ± 0,01 |
0,18 ± 0,03 |
0,20 ± 0,01 |
0,31 ± 0,01 |
Не более 0,8 |
ГОСТ 7698–93 |
|
Кислотность, см3 0,1 моль/дм3 раствора гидроокиси натрия на 100 г сухого вещества |
22,5 ± 0,1 |
22,2 ± 0,5 |
15,6 ± 0,1 |
12,7 ± 0,4 |
Не более 20 |
ГОСТ 7698–93 |
|
Содержание диоксида серы, мг/кг |
Не обнаружен |
Не обнаружен |
Не обнаружен |
Не обнаружен |
Не более 50 |
ГОСТ 7698–93 |
|
Наличие примесей других крахмалов |
Отсутствуют |
Отсутствуют |
Отсутствуют |
Отсутствуют |
Не допускаются |
ГОСТ 7698–93 |
|
Цветная реакция с йодом |
- |
- |
- |
- |
Не нормируется |
ГОСТ 7698–93 |
Таблица 2
Исследуемые растворы крахмалов
|
Название |
Маркировка |
Концентрация, % w/w |
Концентрация, % w/w |
|
Кукурузный крахмал С*Тех 06201(Cargill B.V., Нидерланды) |
S1 |
1 |
5 |
|
Кукурузный крахмал С*Тех 06205 (Cargill B.V., Нидерланды) |
S2 |
1 |
5 |
|
Кукурузный крахмал нативный (MP Biomedicals, США) |
S3 |
1 |
5 |
|
Кукурузный крахмал Thermtex |
S4 |
1 |
5 |
Таблица 3
Величины pH водных растворов исследуемых компонентов для получения капсул
|
Вещество |
S1 |
S2 |
S3 |
S4 |
||||
|
Концентрация, % |
1 |
5 |
1 |
5 |
1 |
5 |
1 |
5 |
|
pH |
4,6 |
6,4 |
4,7 |
7,0 |
7,4 |
6,1 |
7,7 |
7,7 |
1 %-е растворы демонстрируют лучшие буферные свойства, чем 5 %-й раствор, что не может быть объяснено в рамках простой теории, разработанной для идеальных растворов.
Заключение
При приготовлении смесей, сложных растворов и при производстве конечного продукта предпочтительно иметь дело с химически устойчивыми системами. Применение веществ в составе смесей, которые в используемых условиях проявляют сложно прогнозируемые свойства, не допустимо. В ходе настоящего исследования было выявлено несколько условий, при которых исследуемые вещества не являются химически устойчивыми.
Так можно сказать про растворы крахмалов. После приготовления по стандартной процедуре в первые часы в растворах продолжают протекать коллоидные процессы, которые не позволяют точно прогнозировать свойства растворов. Однако растворы, отстоявшиеся при комнатной температуре 8 часов, ведут себя предсказуемо.
Суммируя результаты настоящего раздела, следует отметить:
- исследуемые компоненты для получения капсул проявляют свойства слабых электролитов;
- количество титруемых активных групп в крахмалах мало, что позволяет не учитывать вклад этих соединений при прогнозировании кислотно-основных свойств смесей или сложных растворов;
- крахмалы проявляют достаточно сильные буферные свойства, среднее количество активных групп в 1 %-м растворе нативного крахмала составило 0,23 мМ, а pKa крахмалов лежит в диапазоне 3–4 ед. рН;
- растворы крахмалов химически неустойчивы в присутствии кислоты в растворах.
Основанием для проведения научно-исследовательских, технологических работ является Договор № 1 от 01.01.2013 на выполнение научно-исследовательских, опытно-технологических работ с Дополнением № 1 от 13.02.2013 в рамках Комплексного проекта «Разработка технологии и организация высокотехнологичного промышленного производства фармацевтического желатина для капсул и его аналогов» по постановлению Правительства РФ № 218, 3 очередь.
Рецензенты:
Попов А.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой прикладной механики, ФГБОУ ВПО «КемТИПП», г. Кемерово;
Курбанова М.Г., д.т.н., зав. кафедрой технологии хранения и переработки сельскохозяйственной продукции, ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт», г. Кемерово.
Работа поступила в редакцию 09.10.2013.