Телефон и факс:+7 (3854) 43-25-70
Главная → Наука → Публикации → Исследование возможности применения ультразвука в фармации

Исследование возможности применения ультразвука в фармации

Гавинский Ю.В., Мисовец А.Н.

Тип публикации Отчет по НИР
Авторы Гавинский Ю.В., Мисовец А.Н.
Название издания ЗАО "Эвалар"
Год публикации 1997

Отчет по НИР

УТВЕРЖДАЮ Директор ЗАО "Эвалар" Л.А.Прокопьева " " 1997г. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В ФАРМАЦИИ Отчет по поисковой НИР Исполнители: с.н.с., к.т.н. Гавинский Ю.В. нач. лаб. Мисовец А.Н. Бийск-1997 - 2 - ВВЕДЕНИЕ Одним из перспективных физических методов воздействия на ве- щества с целью интенсификации технологических процессов является метод, основанный на использовании механических колебаний уль- тразвукового диапазона. Наиболее успешно УЗ колебания используются в процессах, свя- занных с жидкими состояниями реагентов, поскольку только в них возникает специфический процесс - УЗ кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия на различные вещества. Воздействие УЗ колебаний на различные технологические про- цессы позволяет: не менее чем в 10-1000 раз ускорить процессы, протекающие между двумя или несколькими неоднородными средами (растворение, очистку, обезжиривание, обезгаживание, крашение, измельчение, пропитку, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизацию, поли- меризацию, предотвращение накипеобразования, гомогенизацию, эро- зию, химические и электрохимические реакции и др.); увеличить выход полезных продуктов (например, экcтрактов) и придать им дополнительные свойства (например, биологическую ак- тивность и стерильность); получить новые вещества (например, тонкодисперсные эмульсии и суспензии) и реализовать технологические процессы, не реализуе- мые традиционными методами. Высокая эффективность УЗ воздействий на различные технологи- ческие процессы подтверждена многочисленными исследованиями и опытом более чем тридцатилетнего применения на ряде предприятий различных отраслей промышленности. Несомненные достоинства УЗ колебаний должны были бы обеспе- чить их широчайшее использование при решении сложных проблем сов- ременных производств, предназначенных для выпуска конкурентоспо- собной продукции. Однако, в настоящее время УЗ техника практически не исполь- зуется из-за высокой стоимости, узкой специализации и низкой эф- фективности разработанных ранее крупногабаритных промышленных ус- тановок, практически полного отсутствия малогабаритных высокоэф- фективных УЗ аппаратов для современных малых и средних произ- водств, сельского хозяйства, бытового обслуживания, и полного от- - 3 - сутствия УЗ аппаратов индивидуального бытового применения. Развитие УЗ техники и технологии сдерживается также низкой информированностью потребителей об эффективности УЗ воздействий и отсутствием методических рекомендаций, учитывающих особенности применения УЗ технологий в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. В настоящее время в лаборатории акустических процессов и ап- паратов Бийского технологического института Алтайского государс- твенного университета им. И.И.Ползунова под руководством к.т.н. В.Н.Хмелева выполнен цикл работ по созданию многофункциональных малогабаритных УЗ аппаратов, предназначенных для широкого приме- нения в промышленных и бытовых приложениях /1/. Создан норморяд различающихся по мощности (25, 40, 160, 400 Вт) недорогостоящих портативных УЗ аппаратов, с помощью которых можно производить различные технологические операции без применения дополнительного специального оборудования. В связи с теми преимуществами, которые открывает применение ультразвука, и описанным в литературе опытом его применения в фармацевтике (см. ниже), авторами настоящего отчета в инициатив- ном порядке проведены частные эксперименты для подтверждения эф- фективности применения УЗ при экстрагировании растительного сырья, возможности и целесообразности более широкого его исполь- зования в дальнейшем в условиях фармацевтической фирмы "Эвалар". Эксперименты проведены с использованием аппарата "АЛЕНА" мощностью 160 Вт, разработанного и изготовленного под руководс- твом В.Н.Хмелева и любезно предоставленного для проведения поис- ковых исследований применения ультразвука в фармацевтике. - 4 - ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1. Ускорение экстрагирования лекарственного сырья растительного и животного происхождения Одной из наиболее продолжительных стадий переработки расти- тельного сырья является процесс его экстрагирования. На большинс- тве заводов экстрагирование осуществляется малоэффективными, тру- доемкими и длительными методами перколяции (длительность от 6 до 28 ч) и мацерации (длительность несколько суток). Практика показывает, что одним из наиболее перспективных способов интенсификации экстрагирования растительного сырья в ус- ловиях фармацевтических предприятий является применение ультраз- вука, с помощью которого из растений могут быть выделены физиоло- гически активные соединения, пищевые красители, отдушки, сахара и т.д. /2-4/. Имеется небольшой опыт применения УЗ на з-де "Здоровье тру- дящимся (г.Харьков), где экстрагированию подвергалась кора рау- вольфии и плоды амми зубной, и на Дарницком химико-фармацевтичес- ком з-де (г.Киев) для получения пантокрина и спленина /2/. В лабораторных условиях с помощью УЗ были получены настой травы термопсиса, жидкий экстракт спорыньи, отвар змеевика, экс- тракты красавки, хины, чилибухи, настой шиповника, извлечения из пилокарпуса, рвотного корня, лупина, сенны, настойки валерианы, концентраты травы пустырника и горицвета, полифракционный экс- тракт листьев и плодов боярышника /5/. Установлено, что ультразвуком частотой 19-44 кГц из растений с сокращением процесса экстракции на 1-2 порядка можно извлекать флавоноиды, дубильные вещества, фенолгликозиды, связанные кумари- ны, антоцианы, фенолкарбоновые кислоты /2/. При этом, как прави- ло, имеет место не только значительное ускорение процесса извле- чения из растений полезных веществ, но и увеличение по сравнению с другими методами экстрагирования выхода основного продукта. Так например, выход розового и облепихового масла увеличивается на 10-15%, саланидина из ростков картофеля - на 30%, атропина на 18-25%, валериановой кислоты - на 20%, платифиллина - на 15%, фу- ранахромонов - на 30%, кверцетина - на 47%, эргостерина - на 45-60%, урсоловой кислоты - на 10%. При озвучивании мезги сырой - 5 - капусты на одну треть увеличивается выход тартроновой кислоты, тормозящей превращение в организме углеводов в жиры; на 18% уве- личивается выход инулина из корней лопуха и клубней топинамбура. С целью обеспечения максимальной эффективности извлечения полезных веществ из растительного сырья необходимо учитывать сле- дующие практически установленные факторы. 1. Процесс экстрагирования, как правило, включает две фазы /6/: 1) осмотическое набухание (замачивание) с растворением со- держимого клетки (движение растворителя внутрь клетки); 2) экс- трагирование (диализ), при котором из клетки через клеточные мембраны, поры и капилляры происходит транспорт макромолекул растворенных веществ в объем растворителя. Процесс замачивания, на который тратится обычно от 4 до 6 ч, зависит от скорости вытеснения воздуха из клетки, удерживаемого до тех пор, пока не произойдет его растворение в экстрагенте. Кроме того, часть воздуха остается внутри клетки. При применении ультразвука имеет место звукокапиллярный эф- фект, который не только ускоряет вытеснение пузырьков воздуха, но и создает условия для их растворения в жидкости. В результате имеет место резкое сокращения процесса замачивания. Например, в обычных условиях время замачивания измельченных трав горицвета, чабреца, пустырника составляет около 2 ч, а корневищ с корнями валерианы, синюхи, девясила, аира и др. - 6-8 ч. При применении же ультразвука достаточно 30 мин на замачивание и 10 мин на озву- чивание, чтобы сырье полностью набухло /2/. 2. На эффективность процесса экстрагирования оказывает влия- ние морфо-анатомическое строение сырья и его дисперсность. Для растений, трава которых имеет тонкую рыхлую листовую пластинку с мягкими оболочками клеток и большим количеством пу- тепроводящих тканей, межклеточных пространств, размер частиц не играет существенной роли и может колебаться от 2 до 8 мм. К таким растениям относятся ландыш, полынь горькая, мята перечная, зверо- бой, красавка, наперстянка, горицвет, тысячелистник, ромашка, но- готки и др. Такое сырье быстро набухает, клетки тургоризуются в течение нескольких десятков минут. Если же обработке подвергается сильно одревесневшее сырье, то для интенсификации процесса экстрагирования важно обеспечить высокую степень дисперсности частиц для минимизации коэффициента - 6 - отражения звуковой энергии, усиления процесса растворения и вымы- вания содержимого из разрушенных клеток. Чем меньше частицы из- мельченного сухого сырья, тем больше вновь образовавшихся капил- лярных каналов и ниже адсорбционная прочность сырья. Оптимальный выход действующих веществ при использовании УЗ для обработки кор- ней или корневищ чемерицы, женьшеня, стальника, родиолы, замани- хи, шароплодки, красавки, валерианы, лопуха, крестовника и др. имел место при размерах частиц 0,25-1,0 мм, для коры дуба, круши- ны, боярышника, кожуры граната - 0,5-1,5 мм. Хорошо поддается экстракции измельченное сырье, раздавленное в "лепесток". Полное истощение такого сырья наступает при величи- не частиц 0,5 мм и воздействии УЗ в течение 15 мин (частота 19 кГц, интенсивность 2 Вт/см 52 0), при величине частиц 1 мм - через 1 ч озвучивания. При величине частиц 2 мм через 2 ч озвучивания экстрагируется 97%, при величине частиц 8-10 мм отмечается выход 55% биологически активных веществ, что близко к данным, получен- ным при экстракции без применения УЗ. Для одревесневевшего сырья (корней, корневищ, коры, плодов, семян) особенно важна стадия замачивания. Как правило, из пол- ностью замоченного сырья экстракция идет быстрее, в то время как при использовании суховоздушного сырья порой такой эффект не наб- людается или проявляется незначительно, поскольку звук как бы "глушится" в буферной зоне, содержащей много газовых включений. Тем не менее УЗ ускоряет экстракцию действующих веществ и из су- ховоздушного сырья. 3. С увеличением температуры экстрагента начинается интен- сивное образование газовых пузырьков на границах раздела и интен- сивность передачи УЗ энергии падает. Поэтому рекомендуемый диапа- зон температур, обеспечивающий максимальный выход действующих ве- ществ, должен находиться в диапазоне 30-60 50 0С. При этом необходимо учитывать повышение температуры экстрагента за счет поглощения ультразвука и следить за тем, чтобы она не превышала допустимых значений. 4. При выборе экстрагента нет особых ограничений на исполь- зование различных растворителей, если они не взрывоопасны и не разлагаются. Различные спирты ингибируют окислительные процессы, возникающие в УЗ поле. В связи с этим при экстрагировании пред- почтение следует отдавать спиртово-водным смесям. Для демонстра- - 7 - ции различий в эффективности УЗ экстрагирования в воде и спирто- во-водной (70%) смеси ниже приводится таблица результатов выделе- ния сердечных гликозидов из травы наперстянки /2/. Таблица 1 ---------------------T-----------------------------------------¬ ¦Время обработки, мин¦ Содержание сердечных гликозидов, ¦ ¦ ¦ мг/100мл ¦ ¦ +--------------------T--------------------+ ¦ ¦ Вода ¦Спирто-водная смесь ¦ +--------------------+--------------------+--------------------+ ¦ 5 ¦ 14,3 ¦ 14,3 ¦ ¦ 10 ¦ 13,5 ¦ 18,0 ¦ ¦ 20 ¦ 13,1 ¦ 18,3 ¦ ¦ 30 ¦ 12,9 ¦ 18,7 ¦ L--------------------+--------------------+--------------------- 5. При применении УЗ практикуется добавление к экстракту глицерина, ПАВ, которые задерживают образование кавитации - ини- циатора деструктивных изменений. В отдельных случаях в качестве ингибиторов рекомендуется использовать слабые органические кисло- ты: винную, лимонную, аскорбиновую, которые кстати лиофилизируют отдельные соединения, например, алкалоиды. Добавление к экстрагенту небольших количеств ПАВ (0,1-0,3%) обеспечивает увеличение выхода полезных веществ. 6. Выход готовой продукции при УЗ экстрагировании в значи- тельной степени зависит от параметров озвучивания: соотношения сырья и экстрагента и значения интенсивности УЗ. Доступ к каждой частице для ультразвука может быть достигнут или интенсивным перемешиванием, или уменьшением удельной нагруз- ки, т.е. соотношения сырье/экстрагент. Второй путь в производс- твенных условиях более осуществим с учетом того, что быстрое пе- ремешивание плотной массы сырья в большом объеме является техни- чески трудной задачей. Как показывает практика, рациональная удельная нагрузка для различных материалов лежит в пределах от 0,07 до 0,25 и уточняется обычно экспериментально в конкретных случаях экстрагирования того или иного растения. Что касается выбора интенсивности УЗ, то обычно ориентируют- - 8 - ся на таком ее значении, которое не вызывает появления кавитации. Если этот фактор не оказывает влияния на стабильность экстрактив- ных веществ, то с увеличением интенсивности УЗ выход действующих веществ увеличивается. Опытным путем найдено, что для различного сырья наиболее приемлема интенсивность УЗ в пределах 1,5-2,3 Вт/см 52 0. С увеличением экспозиции озвучивания выход суммы действующих веществ пропорционально увеличивается. Однако, исходя из сообра- жения защиты действующих веществ от разрушения ультразвуком, ра- циональным является минимальное время озвучивания. Тем не менее ясно, что выбор временного фактора зависит от степени перемешива- ния, т.е. подвода частиц к излучающей поверхности, размеров экс- трактора, в котором осуществляется озвучивание сырья, количества и местоположения излучателей и т.д. 7. Влияние частоты УЗ на процесс экстракции четко не выявле- но. При экстрагировании использовались частоты в диапазоне от 19 кГц до 1 МГц. Однако в последнее время отдается предпочтение низ- кочастотной аппаратуре благодаря ее более высокой экономичности за счет меньшего поглощения энергии пульсирующими пузырьками в режиме кавитации и меньшей направленности излучения, что позволя- ет озвучивать большую площадь, уменьшив тем самым "мертвые зоны". Практический опыт использования УЗ для извлечения биологи- чески активных веществ из растений подтверждает его экономическую выгоду по сравнению с другими способами в отношении сокращения времени процесса на 1-2 порядка и увеличения выхода основного продукта. При этом полученные препараты удовлетворяют всем требо- ваниям Госфармакопеи /2/. В заключение раздела следует указать, что помимо растений, экстракции ультразвуком может подвергаться и сырье животного про- исхождения. Преимуществом такого процесса является то, что его можно вести при пониженных температурных режимах, что весьма важ- но для термолабильных веществ. При этом следует учитывать, что изолированные ферменты весьма неустойчивы к действию УЗ /7,8/. Чтобы предотвратить деструкцию биологически активных веществ по действием УЗ, необходимо в озвучиваемую среду вводить вещест- ва, ингибирующие окислительные процессы. К ингибиторам относятся сульфиты, гидрохинон, глицерин, фенольные соединения, аскорбино- - 9 - вая кислота, ронгалит, тиосоединения и др. Стабилизируют процессы деструкции инертные газы, азот, водород и др., которые осущест- вляют "газовую защиту". Если в озвучиваемой среде присутствует кислород, то процесс окисления ускоряется в десятки раз. Экстракция ультразвуком может использоваться для получения пантокрина, гормонов, витаминов. 2. Диспергирование с помощью ультразвука и приготовление суспензий Диспергирующее действие ультразвука может быть использовано для измельчения мясистых органов и тканей растительного и живот- ного происхождения, например, листьев алоэ, для очистки плодов, фруктов, ягод, растительной мезги, для измельчения мелких расти- тельных клеток (хлореллы, спор, пыльцы), а также для экстракции некоторых гормональных препаратов из животного сырья, когда тре- буется тонкая гомогенизация /9/. Принцип диспергирования растительного сырья с помощью УЗ ос- нован на том, что под его действием проницаемость клеток увеличи- вается за счет изменения геометрического размера различных прос- ветов (устьиц, пор, канальцев и др.), ослабления связи в межкле- точных соединительных тканях, частичного разрыва клеток в период кавитации. Все это облегчает и ускоряет процесс извлечения биоло- гически активных веществ. Исследования показали, что озвучивание свежих листьев алоэ, подорожника, каланхоэ, капусты перед прессованием увеличивает вы- ход сока их сырья в среднем на 10 %. Соки, получаемые с помощью УЗ, более прозрачны, чем получаемые обычным методом. Оптимальное время обработки составляет 20-30 мин. Вкус и основные показатели при УЗ обработке не изменяются. При получении с помощью УЗ извлечений из свежих малосочных растений, залитых спиртовыми растворами, отмечаются те же законо- мерности. Наибольший выход основных действующих веществ наблюда- ется через 15-20 мин после начала озвучивания. В отдельных случа- ях при извлечении с помощью УЗ из свежих растений (родиолы розо- вой, травы донника белого и др.) отмечалось увеличение выхода суммы извлекаемых веществ на 5-7% по сравнению с классическим ме- тодом настаивания. - 10 - Сокоотдача винограда увеличивается с увеличением времени УЗ воздействия. Так при 30 минутной обработке выход сока увеличива- ется с 66 до 71% после первого прессования и с 74 до 79% - после второго прессования.Время обработки мезги дробленных ягод в тече- ние 20-30 мин является оптимальным, так как дальнейшее увеличение времени обработки становится малоэффективным. Получение материалов сверхтонкой дисперсности (состоящих из частичек размером в несколько микрометров и меньше) имеет важное значение, так как от степени измельчения зависят многие характе- ристики материалов. Существует множество способов измельчения твердых веществ (измельчение сухих порошков, измельчение в жидкой среде с помощью шаровых, струйных и вибрационных мельниц). Однако все они измель- чают твердые вещества до размеров не менее 100 мкм и только УЗ диспергирование обеспечивает получение материалов сверхтонкой дисперсности (1 мкм и менее). Проведенные исследования /10/ позволили установить, что УЗ диспергирование (измельчение) происходит за счет кавитации и вза- имного трения быстродвижущихся и соударяющихся частиц в две фазы. В первой фазе (протекающей в течении нескольких десятков секунд) измельчение происходит благодаря наличию в исходных частицах большого количества микротрещин и поэтому трение частиц о жид- кость и их взаимные соударения играют определяющую роль. Во вто- рой фазе измельчение происходит за счет кавитационных ударных волн, формирующих в частицах новые микротрещины. Скорость УЗ диспергирования зависит от твердости материала, от хрупкости и спаянности для материалов и от правильности формы разрушаемых кристаллов. Оптимальной для УЗ диспергирования является температура 40 - 60 50 0С. При превышении указанной температуры скорость измельчения падает. Для каждого вещества существует оптимальное время УЗ диспер- гирования, обеспечивающее получение частиц минимального размера. Длительная обработка может приводить к слипанию частиц и образо- ванию грубодисперсных суспензий. Диспергирование используется для приготовления суспензий, представляющих собой сверхтонкие дисперсии твердых веществ, расп- ределенные в дисперсной среде - жидкости (вода, спирт, масла и - 11 - другие жидкости). В медицине сверхтонкое диспергирование позволяет получать лекарственные препараты, обладающие повышенной физиологической доступностью (усвояемостью) и высокой терапевтической эффектив- ностью. Кроме того, лекарственная форма со сверхтонко диспергиро- ванным лекарственным веществом более стабильна при длительном хранении и точнее дозируется. Ради этого приготавливают суспензии - жидкие лекарственные формы, в которых тонкие дисперсии твердых частиц лекарственного препарата размером около 1 мкм равномерно распределены в жидкостях. Биологические исследования /11/ показывают, что величина дисперсности частиц труднорастворимых лекарств определяет не только скорость и полноту их всасывания в организм, но и время пребывания (действия) в организме. Введенная в организм суспензия (например, норсульфазола), приготовленная с помощью УЗ (размер частиц 3 - 10 мкм), быстрее всасывается в кровь, чем контрольная (размер частиц 45 - 120 мкм). В первом случае максимальная кон- центрация норсульфазола в крови отмечалась через 1 - 2 часа, во втором - через 4 - 4,5 часа. Однако, многие вещества обладают гидрофобными свойствами. В такие суспензии необходимо вводить стабилизаторы, например поли- виниловый спирт (2%) или желатин (1%). В присутствии стабилизато- ра можно получать устойчивые водные суспензии для внутреннего потребления, содержащие различные лекарственные вещества: стреп- тоцид, норсульфазол, синтомицин, а также водно-глицериновые сус- пензионные линименты, содержащие серу, окись цинка, нитрат висму- та основной, тальк, антибиотики и др. Все полученные с помощью ультразвука лекарственные суспензии являются практически стерильными. Однако, если приготовленная суспензия предназначена для многократного применения, в нее реко- мендуется вводить консерванты. Наиболее универсальным консерван- том является аскорбиновая кислота. Применение УЗ диспергирования лекарственных препаратов с по- мощью аппарата "АЛЕНА" является очень эффективным и перспективным методом приготовления лекарственных суспензий. С помощью аппарата несложно приготовить устойчивые суспензии гидрофильных (смачивае- мых жидкостями) веществ, которые равномерно распределяются в растворителях, долгое время находятся во взвешенном состоянии и - 12 - после продолжительного хранения при взбалтывании образуют равно- мерную взвесь /1/. При приготовлении лекарственных суспензий с помощью "АЛЕНЫ" необходимо соблюдать следующие правила. 1. Для ускорения процесса диспергирования твердого вещества в жидкости необходимо предварительное механическое измельчение лекарственного препарата (например, растиранием между двуми ме- таллическими деталями). 2. Для приема лекарственного препарата в виде водной суспен- зии необходимо диспергировать необходимое лекарственное вещество (например, таблетированное) в удобном для приема количестве воды (100 - 200 мл). 3. Время обработки предварительно измельченного препарата в аппарате составляет 2 - 5 минут. Оптимальная температура суспен- зии 40 - 60 50 0С. 4. Суспензию для многократного использования необходимо при- готовлятьв стакане аппарата. После приготовления суспензию пере- ливают в стеклянную посуду и хранят при низкой температуре. 5. Приготовление лекарственных суспензий для однократного применения рекомендуется осуществлять в чистой стеклянной посуде (стакане, чашке и т.п.) и употреблять сразу по готовности. 6. При приготовлении небольших количеств мазей ( например, стрептоцидовой, тетрациклиновой и др.) в водно-глицериновой смеси или чистом глицерине рекомендуется использовать неглубокую стек- лянную посуду (50 - 100 мл). Залив в нее глицерин и поместив в него предварительно измельченный лекарственный препарат, необхо- димо погрузить в суспензию рабочий инструмент УЗ колебательной системы и произвести диспергирование в течении 1 - 3 минут. При обработке не допускать повышения температуры суспензии выше 80 - 100 50 0С. Следует отметить еще одно применение суспензий в лечебной практике. Для сложных радиографических исследований необходимо очень тонкое измельчение рентгеноконтрастных веществ (сульфита бария, сурика, углекислого свинца, сульфата цинка и др.). Полу- ченные с помощью ультразвука суспензии имеют размер частиц до 0,1-0,3 мкм, что позволяет им проникать в любые органы человечес- кого тела, вплоть до капилляров (сосудистая сеть имеет просвет сосудов до 7 - 10 мкм). - 13 - 3. Приготовление эмульсий Некоторые жидкости трудно или совсем невозможно смешать. К ним относятся вода и жиры, вода и эфирные масла и др. Смеси таких веществ называются эмульсиями и потребность в них бывает очень велика. Барьер несмешиваемости удается преодолеть благодаря кави- тационным процессам в ультразвуковом поле и получить эмульсии с размерами частиц менее 1-5 мкм. Эмульсии со столь малым размером частиц являются устойчивыми и не расслаиваются в течение несколь- ких часов, суток и даже месяцев. В фармакологии эмульсии имеют ряд преимуществ перед другими лекарственными формами одного и того же вещества: они быстро вса- сываются в организм при любом способе введения, смягчают раздра- жающее действие лекарственных веществ на слизистые оболочки, в форме эмульсий ускоряется процесс гидролиза жиров ферментами же- лудочно-кишечного тракта /8/. В парфюмерном производстве очень эффективным является ис- пользование ароматических эмульсий эфирных масел. Получение лечебных эмульсий, заключающееся в равномерном распределении лекарственного жидкого препарата в воде, является в обычных условиях сложной задачей. Однако, лечебные свойства эмульсий, отмеченные ранее, вынуждают идти на создание специаль- ных установок для получения эмульсий. Используемые в настоящее время механические миксеры позволя- ют получать необходимые эмульсии, однако эти эмульсии являются неустойчивыми, и не обладают рядом ценных лечебных свойств. Устойчивость эмульсий, полученных с применением ультразвука, много выше, чем полученных обычным способом. Еще одним важным достоинством является сверхтонкое дробление лекарственного препарата (до 0,1-0,05 мкм), изменяющее его свойс- тва настолько, что становится возможным неспецифический путь вве- дения в организм. Например, камфорная эмульсия оказывается при- годной для внутривенного введения, а кукурузное масло - для па- рентерального питания. При приготовлении лекарственных эмульсий с помощью УЗ необ- ходимо учитывать, что для каждого вещества существует предельная концентрация получаемой эмульсии. Максимальная концентрация эмульсий, получаемых с помощью ультразвука без применения стаби- - 14 - лизирующих веществ, обычно не превышает 15% (максимальная кон- центрация эмульсий, получаемых механическим взбиванием, меньше 15%). Применение стабилизаторов (эмульгаторов) позволяет получать эмульсии с концентрацией более 50%. Эта зависимость характерна в основном для эмульсий типа во- да/масло, которые менее устойчивы. Полученные с помощью ультраз- вука эмульсии масла в воде сохраняют свою стабильность и без эмульгаторов в течении нескольких месяцев. При получении эмульсий эфирных масел: розового, укропного, мятного, пихтового, бархатцев и т.п., эмульгаторы не используют- ся, так как в составе масляной фазы имеется достаточное количест- во эмульгирующих природных компонентов - спиртов. С помощью УЗ аппарата "АЛЕНА" /1/ можно готовить эмульсии эфирных масел - концентраты, используемые для получения аромати- ческих вод, принятия лечебных ванн, так как эмульсии легко раз- бавляются водой. При получении лечебных масел: касторового, рыбьего жира, персикового, абрикосового, вазелинового, шиповникового и т.п., применение стабилизирующего вещества (например, поливинило- вого спирта в количествах, менее 1%) позволяет получать более мелкодисперсные и более устойчивые эмульсии, чем без стабилизато- ров. При использовании касторового масла за 1 минуту обработки удается получить устойчивые эмульсии с концентрацией до 10% без применения стабилизаторов. Эмульсия с концентрацией более 10% по- лучается грубодисперсной и расслаивается в течении нескольких ча- сов. Эмульсия касторового масла приготавливается с целью корриги- рования вкусовых качеств масла для внутреннего применения в педи- атрической практике. Полученная в результате обработки эмульсия приятна на вкус, по виду напоминает молоко и устойчива в течении нескольких часов. Аналогичные результаты получаются при приготовлении эмульсии рыбьего жира. Эмульсия полностью утрачивает неприятный вкус и за- пах жира. Приготовление эмульсий облепихового и шиповникового масел для внутреннего и наружного потребления в объемах 200-300 мл осу- ществляется путем обработки "АЛЕНОЙ" в течении 1-2 мин. С помощью ультразвука удается получить важные в биологичес- - 15 - ком отношении высокодисперсные аэрозоли камфоры и йода в воде. Максимальная концентрация камфоры за 30 мин обработки составляет 0,6 г на 100 мл воды, что в шесть раз превосходит растворимость этого вещества в воде при комнатной температуре. За 20 минут об- работки получается примерно такая же по концентрации эмульсия (гидрозоль) йода. С помощью аппарата "АЛЕНА" можно приготавливать также: - жидкость Шинкаренко (4,5 части рыбьего жира, 4,5 части во- ды, 1 часть поливинилового спирта) для наружного применения, хо- рошо распределяющуюся по поверхности мокнущих ожоговых ран; - водно-вазелиновую эмульсию, стабилизированную поливинило- вым спиртом (4,0:4,0:2,0), используемую как наружное защитное средство; - для внутреннего и наружного потребления можно получать эмульсии мугроля, альбихтола, сульфидно-стрептоцидовую, стрепто- цидовую, синтомициновую, нафталанской нефти, лечебных грязей и др. При приготовлении эмульсий лечебных масел необходимо учиты- вать следующее. 1. Устойчивость эмульсий неодинакова и убывает в следующей последовательности: эфирные масла - рыбий жир - персиковое масло - касторовое масло - вазелиновое масло. 2. Эмульсии эфирных и лечебных масел наиболее устойчивы при их получении при 40-45 50 0С. 3. С помощью ультразвука трудно получить эмульсии высокой концентрации из очень вязких жидкостей: ланолина, глицерина и т.п. 4. При приготовлении эмульсий рабочий инструмент колебатель- ной системы рекомендуется располагать по возможности ближе к гра- нице раздела масло - вода. 5. Во избежании загрязнений стакана аппарата трудноудаляемы- ми маслами рекомендуется приготавливать эмульсии в стеклянной по- суде (например, стандартных стеклянных банках, стаканах и т.п.). 4. Ускорение процессов растворения Растворение - физико-химический процесс, протекающий между твердой и жидкими фазами и характеризующийся переходами твердого - 16 - вещества в раствор. На практике это один из самых простых и доступных способов обработки различных компонентов и получения новых веществ. Путем растворения могут быть получены различные водные, спиртовые, мас- ляные растворы кристаллических веществ, растворы сухих и густых экстрактов, сиропов, пигментов и т.п., растворы ароматических, дезинфицирующих и других веществ. Процесс растворения завершается исчезновением твердой фазы. При проведении операции растворения необходимо помнить, что мерой перехода твердого вещества в жидкость является раствори- мость. Она зависит от свойств растворителя, природы растворяемых веществ, температуры процесса и для твердых тел существует пре- дельное количество твердого вещества, растворимое в определенном объеме растворителя - концентрация насыщения. В настоящее время накоплен богатый опыт по ускорению раство- рения различных веществ с помощью ультразвука /2,8/. Эксперименты, проведенные с УЗ аппаратом "АЛЕНА", показали, что его применение позволяет не менее чем в 100 раз ускорить ста- дию растворения так называемых растворимых веществ, в 10-30 раз - трудно и медленно растворимых, в 3-5 раз - малорастворимых. При этом предел растворимости трудно и практически нерастворимых ве- ществ увеличивается в 5-30 раз. Оптимальной для растворения явля- ется температура 25-35 50 0С. Оптимальный объем растворителя при ис- пользовании стакана, входящего в комплект аппарата, 200-250 мл. Следует помнить, что в процессе работы аппарата происходит погло- щение УЗ колебаний в обрабатываемой среде и ее температура повы- шается на 4-5 50 0 за каждую минуту работы. Это необходимо учитывать при растворении лекарственных препаратов, способных изменять свои свойства при повышенных температурах (более 60-70 50 0С). Поскольку наиболее эффективно применение аппарата для раст- ворения лекарственных и пищевых препаратов, необходимо учитывать возможность изменения свойств веществ под действием УЗ. Устойчи- вость веществ под действием УЗ исследовалась многими авторами, показавшими следующее /2,7,8,12/. 1. Многие антибиотики под влиянием ультразвука увеличивают свою антибактериальную активность (бензилпенициллин, стрептоми- цин, тетрациклин, мономицин и др.). 2. Витамины группы В (тиамин, пиридоксин, пантотеновая и ни- - 17 - котиновая кислоты, биотин и др.) полностью сохраняются. Витамины А2, Д2, В12 полностью устойчивы. Аскорбиновая кислота в виде вод- ных растворов окисляется, но в значительно меньшей степени, чем при термической обработке продуктов. 3. Молекулы углеводов могут частично разлагаться до более простых веществ. 4. Белки в ультразвуковом поле, создаваемом аппаратом, депо- лимеризуются. Проведенные исследования позволили установить, что получен- ные с помощью ультразвука растворы лекарственных препаратов отве- чают всем требованиям отечественной Фармакопеи, а пищевые продук- ты сохраняют свои свойства. 5. Стерилизация ультразвуком Еще в 1928 г. было доказано, что обработанные ультразвуком растворы, эмульсии, суспензии и отвары в течении некоторого вре- мени после обработки остаются стерильными. В последующие годы, стерилизующее действие УЗ стало предметом всесторонних исследова- ний. Были получены многочисленные экспериментальные данные, пока- завшие следующее. Гибель клетки штамма при интенсивности 0,8 Вт/см 52 0 составила 40%, при 1,2 Вт/см 52 0 - 54,8%. Гибель клеток подчиняется логарифми- ческой зависимости от времени, что сильно затрудняет практическое применение УЗ стерилизации, так как для полного уничтожения, нап- ример, бактерий теоретически требуется бесконечно долгое время /13,14/. Массовый распад микробных клеток при озвучивании отмечается в момент наступления кавитации. Продолжительность распада клетки в этот период составляет 12 5. 010 5-2 0 с. При выборе параметров озвучи- вания предпочтение следует отдавать скорее увеличению интенсив- ности, чем увеличению времени озвучивания. Тем не менее, варьируя этими параметрами, можно добиться высокой степени стерилизации сред, содержащих грамположительные и грамотрицательные, патоген- ные и непатогенные, аэробные и анаэробные бактерии. Эффект УЗ стерилизации в период кавитации существенно зависит от расстояния между кавитационной полостью и микроорганизмами, он уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. - 18 - Механизм стерилизующего действия УЗ весьма сложен и не раск- рыт полностью. Очевидно, кавитация является ведущим фактором, возникающим в первую очередь там, где прочность жидкости наимень- шая, т.е. на границе раздела сред клетка-жидкость. Однако бактерицидное действие УЗ не обязательно должно соп- ровождаться явлением кавитации - образованием неустойчивых газо- вых оболочек (каверн). Нарушение клеточной структуры наблюдается уже во время пульсации стабильных полостей: пузырьков газа, воз- духа, как правило, всегда находящихся в растворах. Именно внут- риклеточные разрушения, связанные с большими сдвиговыми напряже- ниями, возникающими вблизи пузырьков, и приводят к эффекту стери- лизации, хотя клетка может оставаться неразрушенной. В дистиллированной воде процесс стерилизации наступает быст- рее, чем в растворах солей, белков, высокомолекулярных соедине- ний. Если гонококки в воде для инъекций погибают через 5 мин, то в физиологическом растворе - через 6 мин, а в сыворотке крови - через 10 мин, в бульоне с пептоном - через 50 мин. Белки снижают бактерицидное действие УЗ сильнее, чем липоиды и углеводы. Нали- чие в растворе газовых включений до определенной концентрации по- вышает стерилизующий эффект воздействия УЗ. При большой насыщен- ности газом стерилизующий эффект пропадает. Существенное значение имеет индивидуальная устойчивость от- дельных видов микроорганизмов, их форма, размеры. Одноклеточные, простейшие, дрожжи разрушаются быстрее, чем вирусы, а также мик- роорганизмы, имеющие линейную величину. При обработке настоев и отваров ультразвуком в первую очередь погибали плесени, затем дрожжи, слизеобразующие и в последнюю очередь спороносные бакте- рии. Более устойчивы для различных частот и интенсивностей микро- организмы шаровидной формы: стрептококки, стафилококки, менее - бактерии палочковидной формы; не выдерживают УЗ нитевидные микро- организмы. Но и среди микроорганизмов одной и той же формы имеют- ся различия в устойчивости к УЗ. Так бактериофаги нитевидной фор- мы более устойчивы, чем имеющие форму шара с отростком. Разрушаются ультразвуком кишечная, брюшнотифозная, дифтерий- ная, сенная палочки, бациллы дизентерии, столбняка, сальмонеллы, кокки, гонококки, трипаносомы, трихомонады, возбудитель паратифа, тифа и др. Большие интенсивности УЗ оказывают разрушающее дейс- - 19 - твие на вирусы табачной мозаики, полиомиелита, энцефалита, сыпно- тифозные, гриппа. Бактериофаги больших размеров также чувстви- тельны к действию УЗ. Из патогенных микроорганизмов наибольшую устойчивость к воздействию УЗ проявляют различные штаммы туберку- лезных палочек. Считается общепринятым, что стерилизующее действие УЗ прояв- ляется при интенсивности 0,5 Вт/см 52 0 и частоте колебаний 20 кГц и выше /2/, что в несколько раз меньше интенсивности УЗ колебаний вблизи рабочего инструмента колебательной системы аппарата "АЛЕ- НА" /1/. Увеличение частоты колебаний ускоряет эффект стерилиза- ции, так как при этом уменьшается длина волны, а следовательно, увеличивается ускорение частиц. Как видно, действие УЗ на микроорганизмы избирательно, что осложняет в технологическом отношении процесс стерилизации раз- личных лекарственных форм. В связи с тем, что микрофлора в них может быть весьма разнообразной, действие УЗ оказывается не всег- да эффективным. В ряде случаев 100% стерилизации с помощью УЗ до- биться не удается, а даже столь высокая вероятность стерилизации как 99,99% совершенно недостаточна. В связи с этим УЗ иногда ис- пользуют в сочетании с другими известными факторами воздействия на жизнедеятельность микроорганизмов, в частности, с газами, растворенными или барботируемыми в раствор лекарственных веществ (озон, сернистый и углекислый газ, окись углерода, сероводород и др). Настои и отвары, приготовленные с помощью УЗ, сохраняются 7-10 дней, В связи с удлинением срока годности можно с помощью УЗ готовить впрок настои и отвары из следующего сырья /2/: алтейного корня, корневищ с корнями валерианы, травы термопсиса, пустырни- ка, горицвета, ландыша, коры дуба. Вязкие слизи, сиропы, густые экстракты, порошки, таблетки, дрожжи, спансулы плохо стерилизуют- ся ультразвуком. Тем не менее в ряде случаев УЗ стерилизацию следует считать эффективной, поскольку, например в воде, достаточно озвучивания в течение 5 мин, чтобы была уничтожена почти вся микрофлора /2/. При этом стерилизацию можно проводить с меньшими экономическими затратами, экономией антисептиков, сохраняя биологически активные вещества, ферменты, витамины, так как УЗ стерилизация проводится при низкой температуре. - 20 - ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА Для подтверждения возможности и целесообразности применения ультразвука в условиях ЗАО "Эвалар" был поставлен лабораторный опыт по экстракции валерианы общепринятым способом мацерации и способом, предусматривающим обработку смеси сырье-экстрагент с помощью УЗ колебаний. Используемое сырье представляло собой дробленные сухие корни и корневища валерианы с размерами частиц 7 ` 0 5 - 10 мм стандартной поставки. Дополнительное измельчение до размеров частиц, указан- ных в обзорной части (0,25 - 1,0 мм) не производилось. Образцы настойки валерианы готовились из расчета (1:5) на 40%-ном спирте (20 г корня на 100 мл спирта). Экстракт готовился из расчета (1:2) на 70%-ном спирте (50 г корня на 100 мл спирта). Поскольку при таком соотношении смесь (1:2) оказалась слишком густой (не был учтен коэффициент поглощения экстрагента сухим сырьем), к каждому образцу было добавлено еще по 100 мл спирта соответствующей крепости. Контрольными образцами (N1 и N2) являлись настойка и экс- тракт, полученные методом мацерации в течение 7 суток. Образцы, обрабатываемые ультразвуком, предварительно замачивались в тече- ние 30 мин, а затем подвергались озвучиванию с помощью аппарата "Алена" в режиме: 5 мин воздействия - 40-50 мин перерыв - повтор- ное озвучивание. Выбор такого режима с перерывами обусловлен зна- чительным выделением тепла в процессе УЗ воздействия, что объяс- няется малой величиной озвучиваемого объема и отсутствием переме- шивания смеси. Кроме того отсутствие перемешивания приводит к по- явлению застойных зон в емкости с обрабатываемой смесью и появле- нию в ней существенных температурных градиентов. После озвучива- ния немедленно производилось отделение жидкой фракции. Полученные образцы настоек и экстрактов подвергались контро- лю на содержание сухого остатка и валериановой кислоты в соот- ветствии с требованиями Госфармакопеи. Результаты контроля приведены в таблице 2. - 21 - Таблица 2 --------T-------------T------------T--------------T------------T----------------¬ ¦ N ¦ Соотнош. ¦ Спирт, ¦ Время ¦ Сухой ¦Валерианов. ¦ ¦ обр. ¦ сырье: ¦ % ¦обработки ¦ остаток, ¦ кислота, ¦ ¦ ¦ экстраг. ¦ ¦ ¦ % ¦ % ¦ +------+-------------+------------+--------------+-------------+-----------------+ ¦Треб. ¦ ¦ ¦ ¦ 3,0 ¦ 0,2 ¦ ¦ ГФХ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ 1 ¦ 1:5 ¦ 40 ¦ 7 сут ¦ 3,4 ¦ 0,3 ¦ ¦ 2 ¦ 1:2 ¦ 70 ¦ 7 сут ¦ 7,1 ¦ 0,4 ¦ ¦ 3 ¦ 1:5 ¦ 40 ¦ 10 мин ¦ 2,9 ¦ 0,2 ¦ ¦ 4 ¦ 1:5 ¦ 40 ¦ 20 мин ¦ 3,4 ¦ 0,3 ¦ ¦ 5 ¦ 1:2 ¦ 70 ¦ 10 мин ¦ 6,9 ¦ 0,4 ¦ ¦ 6 ¦ 1:2 ¦ 70 ¦ 20 мин ¦ 8,2 ¦ 0,5 ¦ L------+-------------+-----------+---------------+--------------+----------------- Анализ полученных результатов показывает следующее. 1. Как видно из опыта, для настойки (1:5) и экстракта (1:2) время УЗ обработки в пределах 10-20 мин достаточно для получения таких же (или превышающих норму ГФХ) показателей по сухому остат- ку и содержанию валериановой кислоты, как и при мацерации в тече- ние 7 суток, т.е. используя УЗ, можно ускорить процесс экстраги- рования примерно в 500-900 раз. 2. Опыт показывает, что степень измельчения сырья, получае- мого от поставщика, достаточна для проведения УЗ обработки без дополнительного уменьшения размеров частиц. 3. Для обеспечения равномерной обработки всего объема смеси сырье-экстрагент и предотвращения ее локального перегрева уль- тразвуком требуется механическое ее перемешивание в процессе оз- вучивания. 4. Наиболее целесообразным с точки зрения технической реали- зации вариантом применения ультразвука является создание поточной линии экстрагирования лекарственного сырья, содержащей ряд резер- вуаров небольшой емкости (3-10 л) для смеси, в которые на время 10-20 мин вводятся лопастная малооборотная мешалка и УЗ излучаю- щая головка. После окончания озвучивания указанные узлы вводятся в следующий резервуар, а обработанная смесь подвергается отделе- нию экстрагента, его фильтрации и т.д. - 22 - Достоинствами такой технологической схемы экстрагирования являются высокая производительность, возможность прекращения и корректировки цикла обработки в любой момент производственного процесса, возможность оперативного изготовления препарата неболь- шими партиями, возможность одновременного экстрагирования сразу нескольких видов растительного и/или животного сырья. ВЫВОДЫ На основании предварительного анализа и экспериментальной проверки возможностей использования УЗ колебаний на примере экс- трагирования растительного сырья показано, что ультразвук являет- ся перспективным технологическим фактором, позволяющим при необ- ходимости резко интенсифицировать производственные процессы, при- меняемые в фармацевтике. Существующие разработки в области ультразвуковой техники (Бийский технологический институт) обеспечивают возможность и це- лесообразность их применения в условиях небольших объемов произ- водства лекарственных препаратов. При необходимости организации высокопроизводительного поточ- ного производства лекарственных препаратов (настоек, экстрактов) возможна разработка соответствующих поточных линий. При этом ос- новной объем подобных работ, по-видимому, будет определяться не не столько сложностью разработки УЗ аппаратуры, сколько изготов- лением соответствующих механических приспособлений, узлов и про- чего оборудования, учитывающих конкретные особенности производс- тва лекарственных препаратов. - 23 - ЛИТЕРАТУРА 1. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуко- вые аппараты и их применение в условиях малых производств, сель- ском и домашнем хозяйстве. Барнаул, Изд-во АлтГТУ, 1997, 160с. 2. Молчанов Г.И. Ультразвук в фармации. М., Медицина, 1980, 176с. 3. Лысянский В.М. Процесс экстракции сахара из свеклы. М., Пищевая промышленность, 1973, 223с. 4. Муравьева Д.А. и др. Исследование новых препаратов почеч- ного чая. В кн. Конференция по новым лекарственным препаратам, Томск, 1975, с.128-129. 5. Брук М.М. и др. Получение лекарственных препаратов из растительного и животного сырья под действием ультразвука. В кн. Ультразвук в физиологии и медицине. Т.1, Ростов-на-Дону, 1972, с.115-116. 6. Пономарев В.Д. Экстрагирование лекарственного сырья. М., Медицина, 1976, 204с. 7. Заяс Ю.Ф. Ультразвук и его применение в технологических процессах мясной промышленности. М., Пищевая промышленность, 1970, 292с. 8. Эльпинер Е.И. Биофизика ультразвука. М., Наука, 1973, 384с. 9. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пи- щевых продуктов. М., Пищевая промышленность, 1974, 584с. 10. Левковский Ю.Л., Чалов А.В. Влияние турбулентности пото- ка на возникновение и развитие кавитации. Акустический журнал, 1978, т.24, вып.2, с.221-227. 11. Тепцова А.И., Ажгихин И.С. Терапевтическая эффективность лекарств. М., Медицина, 1974. 12. Назаров Б.В., Молохова Л.Г., Фигуркин Б.А. Устойчивость алкалоидов дымянки аптечной к воздействию ультразвуковых колеба- ний. В кн. Технология лекарств и фитохимических препаратов. Т1, Пермь, 1973, с.45-46. 13. Вернигора П.Ф. и др. Методы ультразвуковой дезинтеграции в микробиологических исследованиях. Акустический журнал, 1975, Т.21, N2, с.316-317. 14. Сарвазян А.П. О механизме биологического действия уль- - 24 - тразвука. В кн. Ультразвук в физиологии и медицине. Ч1. Уль- яновск, 1975, с.27-32.

Все публикации

659305, г. Бийск, ул. Трофимова 27, корп. Б, каб. 101-1

+7 (3854) 43-25-70

vnh@u-sonic.ru