Эмульсии на основе масла амаранта и их использование в лекарственных препаратах будущего

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование

Эмульсии на основе масла амаранта и их использование в лекарственных препаратах будущего

Руцкой Иван Антонович,

Файзуллина Адель Рамильевна

Научный руководитель: Офицерова Эльмира Хамидовна

учитель химии, кхн

Москва 2017



Содержание

• Резюме
• Введение
• 1. Материалы и методы
• 2. Обзор литературы
• 2.1 Уникальные лечебные свойства масла амаранта
• 2.2 Что такое сквален
• 2.3 Технология выделения сквалена из масла амаранта
• 3. Результаты и их обсуждение
• 3.1 Синтез и изучение природы эмульсий
• 3.2 Изучение устойчивости эмульсий
• 3.3 Изучение содержания сквалена в масле
• 3.4 Исследование реологических свойств
• 3.5 Причины высокой устойчивости эмульсий на основе масла амаранта
• Выводы
• Благодарности
• Список литературы
• Приложение


Резюме

С древних времен известны целебные и питательные свойства амаранта - растения, которое сейчас выращивают во всех странах с подходящим климатом. Все части этого растения (цветы, стебель, листья) содержат огромное количество биологически активных веществ. Особенное внимание привлекает масло, добываемое из семян и обладающее широким спектром лечебных свойств. Главная причина такой биологической активности - содержащийся в этом масле сквален. Сквален - это углеводород класса тритерпенов, который до недавнего времени, пока не было обнаружено его содержание в масле амаранта, добывали только из жира печени акул.

В процессе переработки из амаранта получают много ценных веществ. Зеленая масса является источником пектина, витаминов рутина и кверцетина, биологически активных добавок, содержащих кальций. Однако наибольшую ценность представляет выделяемое из семян масло. Технология получения сквалена из масла амаранта сложна и включает одновременное использование водных растворов и органических растворителей. Поэтому неизбежно образование устойчивых эмульсий состава масло - вода. Однако до последнего времени свойства этих эмульсий и зависимость этих свойств от состава не изучались. Недавно такое исследование было начато в РХТУ имени Д.И. Менделеева. Представляемая работа является частью этого исследования.

Нами были синтезированы эмульсии масло амаранта - вода состава от 2 к 18 и до 18 к 2, определен тип этих эмульсий, изучена их устойчивость. Исследовано также содержание сквалена в отслоившейся масляной части эмульсии и зависимость содержания сквалена от состава эмульсии. Предложена гипотеза, объясняющая высокую устойчивость эмульсий, и сделано предположение о перспективах использования эмульсий разного состава.



Введение

Целебные и питательные свойства амаранта известны с глубокой древности. Эти свойства обусловлены уникальным составом: во всех частях растения содержится огромное количество биологически активных веществ (заменимых и незаменимых аминокислот, микроэлементов, минералов, витаминов, протеинов, полиненасыщенных жирных кислот, холина, желчных кислот, спиртов, стероидов и сквалена). Именно поэтому блюда из амаранта используются в таких странах, как США, Индия, Китай для оздоровления населения.

Главная причина таких уникальных свойств - наличие в амаранте сквалена, ненасыщенного углеводорода с шестью двойными связями, который относится к классу тритерпенов. В области фармакологии, которая занимается созданием новых лекарственных препаратов, в последнее время появилось целое направление - скваленирование, так как введение сквалена в существующие препараты значительно улучшает их свойства. До недавнего времени единственным природным источником сквалена был жир печени акул. Когда же было обнаружено, что масло амаранта содержит до 15% сквалена, начались интенсивные работы по созданию технологии его выделения.

В настоящее время технология выделения сквалена из масла семян амаранта многоступенчата и включает использование на отдельных стадиях одновременно органического растворителя и воды. Поэтому в процессе выделения сквалена неизбежно образование эмульсий типа вода - масло. Однако исследование свойств таких эмульсий в зависимости от состава не проводилось.

Объектом нашей исследовательской работы были эмульсии состава масло - вода, приготовленные на основе масла амаранта.

Цель работы - выявление зависимости вида эмульсии, ее реологических характеристик и содержания в ней сквалена от состава этой эмульсии.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- освоить приготовление эмульсий различного состава

- определять вид эмульсии и делать снимки с помощью микроскопа

- определять содержание сквалена в составе эмульсии

- исследовать реологические свойства эмульсий разного состава.



1. Материалы и методы

Синтез эмульсий проводился из масла белосеменного амаранта, предоставленного ООО "Русская олива" (г. Воронеж), с помощью магнитной мешалки. Отбирались определенные количества воды и масла (значения представлены в экспериментальной части) и перемешивались в течение 10 минут.

Для исследования образцов эмульсии методом тонкослойной хроматографии использовались пластинки марки "Sorbfil" размером 100 на 150 мм

Реологические характеристики образцов исследовались на ротационном вискозиметре Реотест - 2 в РХТУ им. Д.И. Менделеева

Содержание сквалена в масле определялось методом ВЭЖХ на хроматографе "Милихром А-02" в РХТУ им. Д.И. Менделеева



2. Обзор литературы

2.1 Уникальные лечебные свойства масла амаранта

Масло амаранта обладает широким спектром применения: лечение раковых опухолей, атеросклероза, лечение хронических заболеваний, связанных с иммунодефицитом. Оно оказывает ранозаживляющее действие, поэтому применяется для лечения ушибов, язв, некоторых типов авитаминоза, а также для борьбы с кожными заболеваниями, патологиями желудка, печени, при проблемах с нарушением кровообращения и даже для лечения гинекологических заболеваний[2,3]. Антиоксидантные и адаптационные свойства масла амаранта позволяют применять его для повышения общей сопротивляемости при профилактике преждевременного старения.

2.2 Что такое сквален

Причина такой биологической активности - высокое содержание в масле сквалена, ненасыщенного углеводорода с шестью двойными связями (рис 1). Он принадлежит к классу тритерпенов и является промежуточным звеном в биосинтезе холестерина.

Рис. 1. Структура сквалена.

Сквален является естественным компонентом секрета сальных желез человеческой кожи (до 12 - 14%), в связи с чем легко всасывается и проникает сквозь мембрану, а так же ускоряет проникновение растворенных в нем веществ[4]

Интерес к применению сквалена резко возрос, когда он был найден в сальных железах человека, а также описан как предшественник холестерина. Была установлена его противоопухолевая активность, антимикробное и фунгицидное действие. В ходе биохимических исследований свойств сквалена было обнаружено и множество других его интересных свойств. Так, скален является производным витамина А, при синтезе холестерина он превращается в его биохимический аналог 7-дегидрохолестерин. Тот в свою очередь при солнечном свете становится витамином Д, обеспечивая тем самым радиопротекторные свойства. Помимо этого, витамин А значительно лучше всасывается, когда он растворен в сквалене. [4]

Сквален является предшественником стероидных гормонов человека и стероидных фитоэстрогенов у растений. Из сквалена в ходе биохимических превращений образуется ланостерол, а затем через холестерол

синтезируются стероидные гормоны. Благодаря этому факту при употреблении амаранта понижается уровень холестерина в крови и уменьшается риск появления атеросклероза.[4]

Способность сквалена высвобождать кислород из воды позволяет считать его противоопухолевым фактором. Он является предшественником в синтезе стероидных гормонов, обладает смягчающим, бактерицидным действием. Сквален восстанавливает структуру липидов, легко проникает через кожные покровы, а также способствует переносу биологически активных веществ в глубокие слои кожи. Сквален способен повышать силы иммунной системы в несколько раз, обеспечивая тем самым устойчивость организма к различным заболеваниям. Сквален нашел широкое применение в косметической промышленности в качестве смягчающего средства. Кроме того, сквален безопасен, не раздражает кожу, не вызывает аллергию.

Сквален широко используется для многочисленных вакцин и для доставки внутри организма лекарственных эмульсий благодаря высокому поверхностному натяжению (что позволяет уменьшить размер капель эмульсии), стабилизации и биосовместимости. Эмульсии, содержащие сквален, способствуют растворению, высвобождению лекарственного препарата, вспомогательных веществ и вакцин, а также поглощению их клетками. Сквален и сквален, его гидрогенизированная форма, обладают уникальными свойствами, которые идеально подходят для создания устойчивых во времени и нетоксичных наноэмульсий.

Ещё в начале XXI века сквален выделяли только из жира печени акул. Цена сквалена была невероятно высока, он скорее являлся веществом не массового пользования, а экзотикой. Долгое время сквален пытались найти в легко возобновляемом сырье - растениях. Однако его содержание в большинстве культурных растений оказалось совсем невысоким. В конце концов, наиболее высокое содержание сквалена было обнаружено в амарантовом масле, получаемом из семян амаранта, от 8 до 15% в зависимости от технологии получения.

2.3 Технология выделения сквалена из масла амаранта

Технология получения сквалена из масла амаранта является сложным многоступенчатым процессом, который нуждается в оптимизации. [4,5] Технологическая цепочка получения масла из исходного растительного сырья представлена на рисунке 2:



Рис. 2. Производственная цепочка получения масла из растительного сырья - амаранта.

Сквален из масла обычно выделяют при помощи щелочного гидролиза в присутствии органического растворителя (схема. 1). В результате гидролиза образуются глицерин и соли жирных кислот, которые уходят в водную фазу, а концентрат сквалена остаётся в органическом растворителе.

Схема 1

Обобщая вышесказанное, стоит отметить, что сквален обладает широким спектром биологической активности, хорошо усваивается организмом, а также способствует растворению и транспортировке других биологически важных соединений. Вероятно, в будущем роль сквалена и сквалана в вакцинных препаратах и лекарственных средствах будет лишь увеличиваться. Это объясняет актуальность нашей работы.

3. Результаты и их обсуждение

3.1 Синтез и изучение природы эмульсий

Для изучения зависимости свойств эмульсии от состава были приготовлены эмульсии различных составов (табл. 1).

Таблица 1. Составы образцов.

№ образца	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Объем масла, мл	2	4	6	8	10	12	14	16	18
Объем воды, мл	18	16	14	12	10	8	6	4	2

Для приготовления эмульсий использовалось масло, выделенное из белосеменного амаранта в ООО "Русская олива" (г. Воронеж). Определенные объемы масла и воды перемешивались с помощью магнитной мешалки в течение 10 минут.

Экспериментальным путём, с помощью метода тонкослойной хроматографии, было показано, что эмульсии образцов 1-4 являются прямыми эмульсиями (масло в воде), а эмульсии 5-9- обратными.

Прямыми называют эмульсии типа "масло в воде". Самой известной эмульсией такого типа является молоко. В прямых эмульсиях молекулы ПАВ собираются в мицеллы, полярные головки которых направлены наружу, а гидрофобные хвосты вовнутрь, тем самым стабилизируя эмульсию (см. рис. 3а).

Обратные эмульсии называют эмульсией типа "вода в масле". В качестве примера можно привести сливочное масло. В таких эмульсиях гидрофобные хвосты молекул ПАВ направлены в сторону масла, т.е. они ориентированы наружу, а гидрофильные головки вовнутрь (см. рис 3б).

Рис. 3 Структура прямой (а) и обратной (б) эмульсий

3.2 Изучение устойчивости эмульсий

После приготовления эмульсий проводилось наблюдение за динамикой их расслоения в течение 286 часов. Относительным временем расслоения считался момент, когда объём отслоившегося масла практически не изменяется с течением времени (см. приложение).



Рис. 4. Доля отслоившегося масла для образцов 1-9 на момент относительного времени расслоения

Как видно из данной гистограммы, 8 из 9 образцов не отслоили даже 50% процентов исходного количества масла, что указывает на нетипично высокую устойчивость эмульсий.

3.3 Изучение содержания сквалена в масле

Далее мы отбирали отслоившееся масло, эти образцы были отданы на определение содержания сквалена методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

Изучение водных эмульсий масла амаранта методом ГЖХ



Рис. 5. Гистограмма зависимости доли сквалена в отслоившейся части масла от состава эмульсии

Как видно на представленной гистограмме, при высоком содержании воды в эмульсии концентрация сквалена в отслоившемся масле заметно уменьшается, при составе эмульсии 40-60% масла уровень сквалена практически совпадает с его содержанием в чистом масле (100%), а при значениях 70-90%, наоборот, доля сквалена выше, чем в чистом масле.

Абсолютная разница между максимальной концентрацией сквалена (70% масла) и минимальной (10% масла) составляет 0,593%. Однако, относительная разность (относительно чистого масла) составляет целых 12%! Другими словами в зависимости от состава эмульсии его концентрация в масле может изменяться на 12%.

Из представленной гистограммы видно, что при увеличении доли масла, эмульсия становится не только более густой, но и стабильной. Наиболее устойчивыми во времени являлись эмульсии с долей масла 50% - 80%. Важной особенностью является тот факт, что обратные эмульсии не отслаивают водную фазу, что не характерно для других растительных масел. Типичное поведение эмульсий растительных масел - расслаивание на масляную и водную фазы.

3.4 Исследование реологических свойств

Для изученных образцов также были проведено определение реологических свойств. Анализ проводился на ротационном вискозиметре Реотест 2 спустя 30 минут после приготовления каждого образца эмульсий. Результаты полученных данных представлены на графике (рис. 6).

Рис. 6. Исследование реологии водных эмульсий масла амаранта

Отсюда видно, что 3 образца, 8 воды - 12 масла, 6 воды - 14 масла и 4 воды - 16 масла, обладают крайне высоким напряжением сдвига по сравнению с остальными эмульсиями. Это означает, что вязкости этих эмульсий тоже значительно выше.

Как видно из гистограмм на рис. 4 и 5, эмульсии масла амаранта, в отличие от эмульсий других масел, достаточно стабильны во времени и плохо расслаиваются. После выявления необычно высокой устойчивости эмульсий на основе масла амаранта мы провели сравнительный эксперимент. Были синтезированы эмульсии состава подсолнечное масло - вода такого же количественного состава. Наблюдения показали, что устойчивость таких эмульсий значительно ниже.

3.5 Причины высокой устойчивости эмульсий на основе масла амаранта

Причиной такой высокой устойчивости эмульсий на основе масла амаранта может быть образования мицелл.

Известно, что в масле амаранта содержится большое количество фосфолипидов и сквалена, которые и способствуют мицеллообразованию.

Фосфолипиды, являясь природными поверхностно-активными веществами, располагаются на границе раздела фаз вода/масло, увеличивают поверхностную активность и сворачиваются в мицеллы, располагаясь анионами фосфатных групп в сторону водной фазы, а гидрофобнымихвостами жирных кислот - в масло



Мы предположили, что фосфолипиды могут в результате гидрофобного взаимодействия притянуться к сквалену и окружить его со всех сторон, образуя стабилизированную скваленом мицеллу (рис. 7).

Рис. 7. Мицелла, стабилизированная скваленом

Для того, чтобы подтвердить данную теорию, были определены концентрации сквалена в отслоившемся масле (образцы 1-9). Концентрация сквалена была определена, как упоминалось выше, методом ВЭЖХ на хроматографе "Милихром А-02". В качестве элюента использовали 100% ацетонитрил.

Рис. 8. Расслоение эмульсий

Как видно на представленной гистограмме (рис.6), при высоком содержании воды в эмульсии концентрация сквалена в отслоившемся масле заметно уменьшается, при составе эмульсии 40-60% масла уровень сквалена практически совпадает с его содержанием в чистом масле (100%), а при значениях 70-90%, наоборот, доля сквалена выше, чем в чистом масле.

Полученная зависимость подтверждает нашу гипотезу:

Участок 10 - 40% содержания масла. Экспериментальными методами установлено, что образующаяся эмульсия является прямой (масло в воде, рис.3). В этой области доля сквалена ниже, чем в 100% масле. Это означает, что сквален является стабилизатором эмульсии. Он проникает внутрь мицеллы и в результате гидрофобного взаимодействия прочно связывается с неполярными хвостами фосфолипидов, в результате чего в виде таких мицелл растворяется в воде. Таким образом, часть сквалена вымывается из эмульсии и уходит в водную фазу, поэтому масляная фаза обеднена скваленом. Это объясняет, почему с повышением доли масла увеличивается концентрация сквалена: при добавлении масла размер их капель также увеличивается, мицеллы начинают хуже растворяться и, в результате, происходит обращение эмульсии.

Участок 40-60% содержания масла: Начиная с 45% масла и выше, эмульсия становится обращённой, т.е. теперь вода находится внутри масла. Однако этот переход в случае масла амаранта происходит с образованием множественной эмульсии. Множественная эмульсия - эмульсия, в которой капли внешней фазы содержат более мелкие капли. (рис.9) Таким образом, получается, что при переходе от прямой к обратной эмульсии образуются псевдоустойчивое переходное состояние в виде множественной эмульсии типа "масло/вода/масло". Со временем она разрушаются до простой обратной эмульсии.

За счёт такой структуры концентрация сквалена находится приблизительно на уровне со 100% маслом. Это объясняется тем, что хотя некоторая часть сквалена и растворяется вместе с мицеллами в воде, однако большая часть остаётся в масле в виде обращённой эмульсии. В то же время в водную фазу частично уходят из масла водорастворимые соединения, например, соли органических кислот, из-за чего уменьшается масса масла и, соответственно, увеличивается процентное содержание сквалена. Эти два фактора компенсируют друг друга.

Рис. 9. Множественные эмульсии

Нам представляется очень важным тот экспериментальный факт, что эмульсии состава 40% масла - 60% воды и 50% масла - 50% воды представляют собой по строению множественные эмульсии, в которых сквален находится внутри мицелл и стабилизирует их. Использование таких эмульсий в качестве основы лекарственных препаратов позволит подобрать композицию лекарственного средства таким образом, чтобы скваленированный препарат доставлялся внутри организма небольшими дозами, что уменьшит побочные эффекты многих сильнодействующих средств.



Выводы

амарант сквален масло лечебный

В результате проделанной работы мы:

* получили эмульсии разного состава и наблюдали за их устойчивостью в течение 286 часов

* выявили зависимость устойчивости и реологических характеристик от состава эмульсии

* выявили зависимость содержания сквалена от состава эмульсии

* определили вид эмульсий с помощью тонкослойной хроматографии и с помощью фотографий со школьного микроскопа

*предложили гипотезу, объясняющую необычную устойчивость наших эмульсий

* сделали вывод о перспективности использования этих эмульсий в медицине



Благодарности

В первую очередь мы выражаем благодарность нашему учителю химии, Офицеровой Эльмире Хамидовне, которая предложила нам принять участие в данном исследовании. Именно она курировала нас во время выполнения работы. Именно под чутким руководством нашего учителя нам удалось добиться серьезных успехов в нашей деятельности. Также мы хотим выразить благодарность РХТУ им. Менделеева, который предоставил нам возможность использовать оборудование и проводить наши исследования.



Список литературы

1. Куликов Е.А. Магистерская диссертация г. М., РХТУ 2016 г.

2. Дзюба В.Ф. и др. Биофармацевтические исследования лекарственных форм с маслом амаранта // Вестник Воронежского государственного университета. - 2007. - №. 2. - С. 145-150.

3. Попова И.Ю. Амарантовое масло как источник сквалена //Обзор применения и новый способ получения. - Т. 4. - 2016.

4. Кадошников С.И., Кадошникова И.Г. Фармакологические свойства амаранта: тезисы докл. II Международного симпозиума (Пущино, 16-20 июня, 1997 г.). М., Пущино. - 1997. - С. 163-165.

5. Reddy L. H., Couvreur P. Squalene: A natural triterpene for use in disease management and therapy //Advanced Drug Delivery Reviews. - 2009. - Vol. 61, №. 15. - P. 1412-1426.

6. Fox C. B. Squalene emulsions for parenteral vaccine and drug delivery // Molecules. - 2009. - Vol. 14, №. 9. - P. 3286-3312.

7. Арутюнян Н.С., Корнена Е.П. Фосфолипиды растительных масел: Состав, структура, свойства, получение и применение. Спб.: Агропромиздат, 1986.

8. Толчева Е.В., Оборотова Н.А. Липосомы как транспортное средство для доставки биологически активных молекул // Российский биотерапевтический журнал. - 2006. - Т. 5, №. 1. - С. 54-61.

9. Каплун А.П. и др. Липосомы и другие наночастицы как средство доставки лекарственных веществ // Вопросы медицинской химии. - 1999. - Т. 45, №. 1. - С. 3-12.

10. Юлиш Е.И., Абатуров А.Е. Липосомальная терапия: настоящее и будущее // Здоровье ребенка. - 2008. - №. 1. - С. 10.

11. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М., Альянс - 2004



Приложение

Фото приготовленных нами эмульсий



Анализ методом ВЭЖХ содержания сквалена в масляном слое

№ пробы	концентрация масла в воде мг/мл	концентрация Sq в р-ре, мг/мл	доля Sq в масле, %	эмульсия, % масла
1	0,94	0,026	2,7	10,00
2	1,31	0,055	4,2	20,00
3	1,18	0,0653	5,53	30,00
4	1,03	0,06	5,83	40,00
5	1,02	0,0566	5,55	50,00
6	1,04	0,0559	5,38	60,00
7	1,13	0,077	6,81	70,00
8	1,22	0,0815	6,68	80,00
9	0,96	0,058	6,04	90,00
10	1,02	0,055	5,39	100,00

Реологические характеристики эмульсий различных составов

№ скорости	Частота, с-1	Напряжение сдвига, Па
		16в-4м	14в-6м	12в-8м	10в-10м
1	3
2	5,4
3	9				0,33
4	16,2				0,495
5	27				0,66
6	48,6	0,495			0,825
7	81	0,62			1,32
8	145,8	0,62		0,62	2,31
9	243	0,93		1,085	3,1
10	437,4	1,24	0,93	1,86	4,65
11	729	1,55	1,395	2,79	6,975
12	1312	1,55	2,325	4,96	10,54
№ скорости	Частота, с-1	8в-12м	6в-14м	4в-16м	2в-18м
1	3	3,96	5,61	3,3
2	5,4	4,95	7,26	3,63
3	9	5,94	7,59	4,29
4	16,2	7,755	9,57	5,28	0,33
5	27	9,57	12,54	6,6	0,66
6	48,6	13,53	14,19	9,405	0,825
7	81	17,98	19,84	12,71	0,99
8	145,8	28,365	26,35	20,46	1,485
9	243	34,1	40,3	27,9	2,145
10	437,4	49,6	65,1	43,4	3,1
11	729	74,4	102,3	62	4,96
12	1312	117,8	170,5	102,3	8,06

Размещено на Allbest.ru

...