Механохимическое получение пищевой добавки, содержащей витамин D и хелатированные формы кремния

Адекватное потребление витамина D во многом зависит от возраста человека, сопутствующих заболеваний и использования некоторых лекарственных препаратов. Постоянный и

носящий системный характер дефицит витамина D может привести к увеличению частоты развития патологии многих органов и систем организма [1]: гипокальциемии, гиперпаратиреоза, а также гипофосфатемии, при которой ухудшается минерализация костей. Клиническими проявлениями For citation

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License дефицита витамина D также являются слабость и мышечная боль, не зависящая от возраста [2, 3]. Однако, функции витамина D не ограничены только контролем кальций-фосфорного обмена, он также влияет и на другие физиологические процессы в организме, например, на модуляцию клеточного роста, нервно-мышечную проводимость, воспалительные процессы. Чаще всего человек сталкивается с последствиями дефицита витамина D при затрудненной ходьбе, сложностях передвижения и поддержания равновесия, при увеличении количества падений, в том числе, сопровождающихся переломами [4, 5].

В отличие от витамина D, роль которого в организме в значительной мере изучена, количество исследований, которые указывают на важность соединений кремния как необходимого компонента для развития костной ткани, в настоящее время не столь велико. Известны работы, в которых показано, что кремний присутствует во всех тканях организма, но ткани с наибольшей концентрацией данного элемента – это кости, сухожилия и другие соединительные ткани. Исследования in vitro показали, что кремний стимулирует синтез коллагена 1 типа и дифференцировку остеобластов [6]. Исследования на лабораторных животных показали, что кремний на физиологическом уровне улучшает включение кальция в структуру кости [7, 8]. Концентрация кремния в остеоиде в 25 раз больше, чем в прилегающих областях, и содержание кремния постепенно снижается по мере роста кальцификации. Одно из объяснений этому состоит в том, что кремний делает поверхность кости более электроотрицательной, а минерализация костей происходит в электроотрицательных областях, возникающих при сжатии.

На диете без добавления кремния животные отстают в росте, у них ухудшается состояние соединительной ткани и костей [9]. Измерения массы и прочности костей на многочисленных модельных животных продемонстрировали благотворное влияние добавок кремния для увеличения плотности костной ткани и уменьшения хрупкости костей [10, 11].

Кроме того, соединения кремния могут выступать в роли доставщика биологически вышеперечисленных биологически активных соединений [12, 13]. Это связано с тем, что соединения кремния концентрируются в определенных местах – опухоли, раны, пораженные участки мышц [14].

В большинстве стран не нормируется уровень потребления и содержание кремния в продуктах питания, но были найдены суточные пограничные значения для детей и взрослых, которые составили 27 мг и 29 мг в сутки, соответственно [15, 16]. При недостаточном поступлении в организм человека (при ежедневном потреблении менее 5 мг) начинается развиваться дефицит кремния.

Наиболее перспективным возобновляемым источником биогенного диоксида кремния считается рисовая шелуха (лузга), содержащая более 20 масс.% аморфного диоксида кремния [17]. Диоксид кремния расположен на поверхности частиц рисовой шелухи и может вступать в реакции комплексообразования с природными или искусственно синтезированными молекулами, обладающими хелатными группировками [18]. С точки зрения концепции зеленой химии привлекательным сырьем выглядит биомасса (лист) зелёного чая, содержащего 8 различных катехинов, обладающих хелатными группировками [19, 20].

Поэтому целью работы стало создание комплексной добавки, содержащей несколько факторов, участвующих в остеогенезе и минерализации: витамин D и кремний в биологически доступной растворимой форме. Данные компоненты, вероятно, должны усиливать действия друг друга, как, например, витамин D и витамин K совместно участвуют в производстве и активации остеокальцина [21]. В качестве метода для проведения реакции хелатообразования была выбрана механохимическая обработка как экологически чистый, безрастворный и безотходный способ проведения реакции между твердофазными реагентами неорганической, органической и даже полимерной природы [22–24].

Материалы и методы

В работе использовались следующие материалы и реактивы: лузга риса Oryza sativa (L.) (сорт “Лидер”, Кызылординская область, Республика Казахстан), зеленый чай Camelia sinensis (L.) (ТУ 9191–003–00570186–04, Краснодарский край, Россия), водный раствор холекальцифе-рола 0.375 мг/мл (ООО «Гротеск», Россия), (NН4) 2 МоО 4 (99,5%, Россия), серная кислота (99,9%, Россия), Nа 2 SiО 3 (99%, Россия), пирокатехол (99%, Alfa Aesar), ацетат аммония (98%, Россия), аскорбиновая кислота (99%, Россия).

Определение влажности исходного сырья и продуктов переработки проводили гравиметрически по методике ГОСТ 18134–3:2015, используя автоматический анализатор влажности Radwag WPS 50SХ (Польша).

Получение хелатированного кремния проводили механохимически по технологии, широко применяемой в переработке растительного сырья [25]. Для этого смесь, состоящую из 85% рисовой лузги и 15% зеленого чая обрабатывали в полупромышленной центробежной роликовой мельнице-активаторе «RM-50» (ИХТТМ СО РАН, Новосибирск), оснащенной водяным охлаждением и блоком управления, контролирующем энергозатраты на проведение процесса [26]. Режим работы мельницы-активатора следующий: производительность 50 кг/час, скорость вращения ротора 550–1500 об./мин. Температура в зоне обработки не превышала благодаря охлаждению проточной водопроводной водой 65–70 °C. В результате получался тонкоизмельченный порошок серо-зелёного цвета, который использовали в качестве матрицы для нанесения витамина D.

Определение содержания хелатированных форм кремния в растворе проводилось следующим образом. Исследуемые образцы суспендировались в 0,05 М ацетатном буфере (гидромодуль 1000) при 25о С в течение 4 часов при постоянном перемешивании на термостатируемой магнитной мешалке. После растворения образцы центрифугировались для получения надосадочной жидкости (5000 об./мин, 15 минут). Аликвота надосадочной жидкости (350 мкл) переносилась в пластиковую пробирку, куда добавлялись 150 мкл раствора молибдата аммония (0,5 М). Спустя 10 минут (комнатная температура, без перемешивания) в пробирку добавлялись 300 мл раствора восстановителя (0,4 М раствор аскорбиновой кислоты) и 3,25 мл воды. Спустя 30 минут (комнатная температура, периодическое встряхивание пробирок) измерялась оптическая плотность растворов на длине волны 810 нм (относительно кюветы с дистиллированной водой). Концентрация хелатированных форм кремния находилась из калибровочной прямой, построенной с использованием ГСО кремния № 8934–2008 в аналогичных условиях.

Нанесение витамина D на продукт, содержащий хелатированные формы кремния проводили при комнатной температуре. Для этого к 30 г. продукта механохимической обработки, содержащего хелатированные формы кремния медленно, по каплям и при постоянном перемешивании добавляли сначала 30 мл раствора холекальциферола 0.375 мг/мл и, затем, 5 мл дистиллированной воды. Полученную влажную смесь равномерно распределяли по поддону для лиофильной сушки и замораживали при температуре -18о C. После замораживания образец сушили в лиофильной сушилке Иней-4 (Институт биологического приборостроения, Россия). Температура конденсора -47,3 °C, давление над образцом в конце процесса сушки до 0,03 мм. рт. ст. Полученный продукт, содержащий витамин D и хелатированные формы кремния, измельчали в ступке, хранили в вакуумной упаковке при температуре -18о C и использовали в последующих экспериментах. Концентрацию колекальцифе-рола определяли общепринятым хроматографическим методом [27].

Результаты и обсуждение

Наиболее важным критерием, обуславливающим успешность внедрения механохимической технологии, является энергоэффективность процесса механохимической обработки. Следует особенно тщательно подбирать режимы работы оборудования, чтобы не допускать перерасхода энергии, приводящего к излишнему разогреву материала, разложению реагентов и целевых веществ, особенно, если идёт речь о термически нестабильных молекулах биологического происхождения.

С целью контроля энергозатрат на проведение механохимического хелатирования кремния были проведены эксперименты, в которых при постоянной скорости подачи сырья с помощью высокоскоростного ватт-метра регистрировались кривые энергопотребления (рисунок 1).

0       10      20      30      40      50      60

Время, c | Time, s

Рисунок 1. Примеры кривых энергопотребления центробежно-роликовой мельницы-активатора RM-50. При различной частоте вращения ротора (a – 550 об./мин, b – 900 об./мин, c – 1200 об./мин, d – 1500 об./мин).

Figure 1. Examples of energy consumption curves of the RM-20 centrifugal roller mill-activator at different rotor speed (a – 550 rpm, b – 900 об./мин rpm, c – 1200 rpm, d – 1500 rpm)

Полученные после интегрирования кривых энергопотребления результаты показывают, что энергопотребление мельницы-активатора неравномерно зависит от частоты вращения ротора, и дальнейшая оптимизация процесса требует проведения эксперимента с различной скоростью подачи сырья (производительностью мельницы).

Таблица 1.

Зависимость скорости вращения ротора и удельных энергозатрат на проведение механохимической обработки от частоты подаваемого на двигатель электрического тока

Table 1.

Dependence of the rotor speed and specific energy consumption for mechanochemical treatment on the frequency of the electric current supplied to the motor

Частота электрического тока, Гц Electric current frequency, Hz	Частота вращения ротора, об./мин Rotation frequency of the rotor, rpm	Затраты энергии на вращение без обработки сырья, кВт Energy consumption for rotation without treatment of raw materials, kW	Затраты энергии на вращения во время механохимической обработки сырья, кВт Energy consumption for rotation during mechanochemical treatment of raw materials, kW
20	550	2,7	5,0
30	900	5,5	7,1
40	1200	9,5	10,3
50	1500	14,5	18,7

Анализ продуктов механохимической обработки рисовой шелухи, содержащей аморфный кремнезем, с биомассой зеленого чая, содержащего комплекс катехинов, приводит к существенному увеличению равновесной концентрации хелатированных форм кремния в растворе (рисунок 2).

20        40        60        80

Скорость подачи сырья, кг/час Feed rate of raw material, kg/h

Рисунок 2. Зависимость равновесной концентрации водорастворимых хелатированных форм кремния в зависимости от условий механохимической обработки (a, b, c – 900, 1200 и 1500 об./мин, соответственно)

Figure 2. Dependence of the equilibrium concentration of water-soluble chelated forms of silicon depending on the conditions of mechanochemical treatment (a, b, c – 900, 1200 and 1500rрm, respectively)

Исходя из стоимости электроэнергии, затрачиваемой на получение продукта, а также минимального наклона кривой (свидетельство стабильности протекающего процесса), оптимальным режимом получения продукта, содержащего хелатированные формы кремния, выбрана скорость вращения ротора 1200 об./мин и производительность мельницы-активатора 43 кг/час. В данных условиях получается продукт с равновесной концентрацией водорастворимых форм хелатированного кремния 24 мг/л.

В таблице 2 приведен расчёт количества добавки, необходимого к употреблению для восполнения суточной потребности организма в витамине D [28–30].

Таблица 2.

Количество пищевой добавки, необходимое для восполнения суточной потребности организма человека в витамине D

Table 2. The amount of dietary supplement required to the daily requirement of the human body for vitamin D

Категория населения Population category	Суточная норма потребления витамина D, мкг Daily intake of vitamin D, μg	Количество добавки для восполнения суточной потребности, мг The amount of supplement to replenish the daily requirement, mg
Дети 4–10 лет Children 4–10 years old	38	186
Дети 10–16 лет Children 10–16 years old	50	245
Взрослые Adult	15–20	74–99
Космонавты Cosmonauts	100	490

Видно, что рассчитанные количества добавки удобны для применения в виде желатиновых растворимых капсул (размер капсулы № 3, ёмкость одной капсулы около 250 мг полученной добавки).

Заключение

Показано, что оптимальным режимом получения из рисовой лузги и зеленого чая продукта, содержащего хелатированные формы кремния, является скорость вращения ротора центробежно-роликовой мельницы-активатора (тип RM-50) равная 1200 об./мин при производительности 43 кг/час. Данный режим характеризуется высокой устойчивостью к нестабильностям технологического процесса и приводит к получению продукта, содержащего до 24 мг/л водорастворимых хелатированных форм кремния. Полученный продукт был использован в качестве твердой матрицы для нанесения витамина D и получения биологической активной добавки к пище. Рассчитанные количества добавки, необходимые к употреблению для восполнения суточной потребности организма в витамине D, показали целесообразность использования растворимых желатиновых капсул.

Работа была выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 19–73–10074 “Энергетические аспекты механохимической переработки полимеров растительного сырья”.