Результат интеллектуальной деятельности: ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ГЕМАТОГЕН

Изобретение относится к области фармацевтической и пищевой промышленности, в частности, производству продуктов, являющихся источником гемового железа.

Известно, что железо является необходимым для функционирования организма человека химическим элементом. Оно входит в состав различных белков, в том числе ферментов, участвует в транспорте электронов, кислорода, обеспечивает протекание окислительно-восстановительных реакций и активацию перекисного окисления. Недостаток потребление железа ведет к гипохромной анемии, миоглобиндефицитной атонии скелетных мышц, повышенной утомляемости, миокардиопатии, атрофическому гастриту. Физиологические потребности в железе для взрослых составляют 10 мг/сутки (для мужчин) и 18 мг/сутки (для женщин), для детей эти нормы лежат в пределах от 4 до 18 мг/сутки (MP 2.3.1.2432-08. Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации).

Поступающее с пищей в организм человека железо обычно разделяют на два типа, принципиально отличающихся друг от друга своей биодоступностью и механизмами всасывания: гемовое и негемовое железо.

Гемовое железо входит в состав таких белков как гемоглобин и миоглобин, поступающих в организм в основном с пищей животного происхождения: мясом, особенно печенью, и рыбой. Характерной особенностью строения этих белков является наличие простетической группы (комплекса протопорфирина IX с атомом железа (II)), называемой гемом (Р. Досон, Д. Элиот, У. Эллиот, Справочник биохимии, М: 1991, стр. 175-190). Термин «гемовое железо» относится именно к этому комплексу, строение и химические свойства которого определяют механизмы и особенности усвоения в организме человека. Гем достаточно химически инертен - не взаимодействует с другими компонентами пищи, такими как танины, фитаты, хелатирующие агенты и другими веществами, способными необратимо связывать ионизированное железо.

Проникновение же в цитоплазму энтероцитов (клетки эпителия кишечника) осуществляется по достаточно специфическим механизмам: с помощью белка-переносчика гема (НСР1), либо по средствам рецепторно-опосредованный эндоцитоза (Heme receptor) (Heme Iron Polypeptide in Iron Deficiency. Anemia of Pregnancy: Current Evidence. Open Journal of Obstetrics and Gynecology, 2017, 7, 420-431). В обоих случаях абсорбция происходит за счет сродства к протопорфириновой группе гема и не имеет конкуренции со стороны других компонентов пищи. Особенно важным является тот факт, что эти механизмы подвержены регуляции со стороны самого организма, и, как следствие, длительный прием гемового железа не приводит к передозировкам.

Негемовое железо - термин, объединяющий под собой большое число химических соединений железа, поступающий в организм человека из различных пищевых источников, по строению отличающихся от гема. По своей сути это различные соли железа (в степени окисления +2 и/или +3) с неорганическими или органическими кислотами. Их отличает способность активно вступать в химические реакции с сопутствующими компонентами пищи. Так, например, различные белки (яичный, молочные, растительные) и пищевые волокна способны необратимо связывать негемовое железо. Полифенолы, фосфаты и фитаты также образуют с ионизированным железом нерастворимые комплексы и выводят его из организма. Более того, в щелочной среде кишечника возможно образование нерастворимых гидроокисей железа, которые также не усваиваются организмом. В свою очередь механизм абсорбции негемового железа неспецифичен. Ионы железа Fe²⁺ проникают цитоплазму энтероцитов с помощью белка-транспортера DMT-1. Его особенностью является сродство к любому двухвалентному металлу. По это причине, во-первых, негемовое железо в степени окисления +3 должно пройти предварительную стадию восстановления с помощью дуоденального цитохрома b (DCytB), либо восстановится под действием других компонентов пищи, например, аскорбиновой кислоты (Основы клинической гематологии. Учебное пособие для нижегородской медицинской академии под авторством С.А. Волковой, Н.Н. Боровкова; стр 31). Во-вторых, возникает конкуренция между ионами Fe²⁺ и другими двухвалентными ионами, поступающими в организм человека с пищей: Сa²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Сo²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ и Pb²⁺ (Эффективность всасывания железа при раздельном и одновременном приеме с кальцием В.Н. Дроздов, К.К. Носкова, А.В. Петраков Центральный научно-исследовательский институт гастроэнтерологии, Москва 30-10-2008 http://www.medlinks.ru/article.php?sid=34083; Основные механизмы регуляции обмена железа и их клиническое значение. Л.М. Мещерякова, А.А. Левина, М.М. Цыбульская, Т.В. Соколова; ФГБУ ГНЦ Минздрава России, Москва, «Онкогематология», вып. 3, 2014. Стр. 67-71).

Как следствие степень абсорбции негемового железа низкая, в 10 раз ниже по сравнению с гемовой формой. При этом механизм транспорта с помощью DMT-1 - не регулируется организмом, что может привести к передозировке при употреблении большого количества негемового железа в пищу.

Таким образом, гемовое железо можно однозначно считать самым биодоступным и безопасным источником железа для организма человека.

Основным пищевым источником гемового железа являются животные белки гемоглобин и миоглобин. Гемоглобин содержит большее количество гемовых групп (4) и более прост в получении по сравнению с миоглобином

В независимости от происхождения гемоглобин представляет собой сложный белок класса хромопротеинов, содержащий в качестве простетической группы гем. Полипептидная часть состоит из четырех субъединиц (две α и две β), упакованных в четвертичную структуру за счет гидрофобных взаимодействий. Попадая в желудок человека гемоглобин под действием пищеварительных ферментов в условиях пониженного рН подвергается разрушению. Конечными продуктами такой денатурации являются пептиды с различной длиной аминокислотной цепочки и свободный гем, которые способны взаимодействовать в условиях желудочно-кишечного тракта, влияя тем самым на эффективность абсорбции железа энтероцитами (Influence of the extent of haemoglobin hydrolysis on the digestive absorption of haem iron in the rat. An in vitro study. N. Vaghefi, F. Nedjaoum, D. Guillochon, F. Bureau, P. Arhan and D. Bougl. Experimental Physiology (2000) 85.4, 379-385). Однако под действием соляной кислоты гем способен терять железо, и, чем дольше свободный гем находится солянокислой среде желудка, тем больше гемового железа переходит в негемовое. Показано, что после 1,5 часов переваривания пищи животного происхождения в условиях, моделирующих действия желудочного сока (раствор пепсина в 0,1Н растворе соляной кислоты при 37°С) значительная доля (11-43%) железа, содержащегося в ней, обнаруживается в ионизированной (негемовой) форме (Availability of Food Iron. A. Jacobs, D.A. Greenman. British Medical Journal, 1969, 1, 673-676). Причем эта негемовая форма составляет, в зависимости от источника, от 17 до 90% пула всего высвободившегося в результате переваривания железа (суммарное гемовое и негемовое). При этом доля негемового железа в общем количестве высвобождающегося при переваривании железа увеличивается в том случае, если пища подвергалась первоначальной термической обработке. Такое увеличение может составлять 1,5-2 раза, при том же общем количестве высвободившегося железа (или ее незначительном росте). Это объясняется тем, что при термической обработке пищи гемсодержащие белки, входящие в ее состав, подвергаются денатурации с образованием структур, которые быстрее и более полно разрушаются под действием пепсина и соляной кислоты. Как результат, больше гема высвобождается и больше его разрушается.

Таким образом, для достижения большей эффективности источники гемового железа не должны подвергаться предварительной частичной или полной денатурации в следствие нагрева, чтобы этап желудочного переваривания не переходил в процесс разрушения гема.

На рынке биологически-активных добавок и лекарственных средств гемовое железо представлено продуктами на основе черного пищевого альбумина или гемоглобина, выделяемого из крови животных (крупного рогатого скота, свиней). В РФ данная продукция хорошо известна под названием «Гематоген» и выпускается обычно в форме батончиков (Пожарская Л.С., Либерман С.Г., Горбатов Н.В. Кровь убойных животных и ее переработка. - М: Пищевая промышленность, 1971, с. 360-363). С незначительными модификациями состав гематогенового батончика любого производителя выглядит следующим образом: сахар, молоко цельное сгущенное с сахаром, патока, альбумин черный пищевой, ароматизаторы и другие вкусокорректирующие добавки. Часто в состав вводят дополнительные биоактивные компоненты, например, витамин С, лизин или лесные орехи (патенты РФ №2142280, №2354365), витамины и минералы, с целью улучшения его лечебных и питательных свойств.

Процесс производства классического гематогенового батончика заключается в следующем:

Смесь сахара, патоки и цельного сгущенного молока уваривают при температурах 122-125°С до необходимой консистенции. Потом полученную массу охлаждают до 60-65°С, в нее добавляется черный альбумин (гемоглобин) и остальные ингредиенты. Полученную таком образом пасту формуют с помощью специального оборудования в виде плиток (батончиков), охлаждают до температуры 26-32°С и отправляют на выстойку в течение 24 часов для завершения процессов застывания и сушки. Производимый данным образом гематоген имеет ограниченный срок годности - 12 месяцев и характеризуется способностью во время хранения сильно отверждаться, что усложняет процессы его раскусывания и жевания.

Помимо малого срока годности и ухудшения органолептических показателей в процессе хранения классический гематогеновый батончик имеет еще один очень важный недостаток, касающийся биодоступности железа. Как было сказано выше, температура при которой гемоглобин вводится в смесь составляет 60-65°С. В тоже время известно, что его необратимая тепловая денатурация начинается уже с 50°С и не зависит при этом от рН системы (The thermal and storage stability of bovine haemoglobin by ultraviolet-visible and circular dichroism spectroscopies. Nichola J. Coleman, John C. Mitchell. Journal of Pharmaceutical Analysis, 2015). Это означает, что гемоглобин в составе гематогеновых батончиках находится в частично денатурированной форме и при его переваривании в желудке часть гемового железа будет разрушаться. Образовавшееся же при этом негемовое железо будет взаимодействовать с другими ингредиентами батончика, например, молочными белками. Как следствие, степень усвоения железа из гематогенного батончика (несмотря на то, что оно изначально находится в гемовой форме) будет невысокой.

На зарубежных рынках существуют препараты на основе продукта гидролиза гемоглобина - гемсодержащего полипептида Heme Iron Polypeptide, HIP (Heme Iron Polypeptide (Proferrin®) versus Oral and Injectable Iron. Products for the Treatment of Anemia. Sarah Ndegwa, Raymond Banks. Health Technology Inquiry Service (HTIS), Canada, 2007). Его недостаток, с точки зрения биодоступности железа, аналогичен недостатку гематогенного батончика, т.к. гидролиз - стадия максимально глубокой необратимой денатурации, для которой характерно разрушение даже уже первичной структуры белковой молекулы. Соответственно, доля железа, потерянного гемовыми структурами в желудке будет даже больше, чем в случае классического гематогена.

Таким образом, существующие на данный момент препараты гемового железа не способны проявлять максимальную биодоступность и безопасность, поскольку в процессе производства источник железа подвергается в той или иной степени денатурации.

Известен способ производства классических гематогенных батончиков без нагрева сырья до высоких температур (патенте РФ №2438364, №2438363). Описаный способ включает предварительное смешивание высушенной плазмы крови сельскохозяйственных животных и гемоглобин с другими пищевыми ингредиентами с пониженным содержанием влаги, подсластителями и ароматизаторами; добавлением к ним чешуйчатого льда или снега, и последующее перемешивание их в сыпучем состоянии при субкриоскопических отрицательных значениях температуры с последующим формованием, сопровождающимся утрамбовыванием массы, в виде брикетов различной формы, упаковыванием продукта в виде штучных изделий в индивидуальные пакеты, и отеплением продукта в токе теплого воздуха (до 40°С) с целью проведения процессов оттаивания кристаллов льда, набухания/растворения сухих компонентов и ускоренного структурообразования за счет перераспределения влаги в продукте.

Продукт, получаемый этим способом (патент РФ №2438364) может быть выбран в качестве ближайшего для предложенного изобретения. Однако, этот продукт и сам способ его получения имеют ряд недостатков: способ является очень сложным и энергозатратным, поскольку требует создания и поддержания субкриоскопических отрицательных значений температуры, а также требует уникального смесительного, формовочного и упаковочного оборудования, способного работать в диапазоне этих самых значений температуры. Кроме того, в способе отсутствует контроль формы источника железа, что в конечном итоге определяет недостаточную биодоступность и эффективность продукта.

Целью предложенного изобретения является создание источника гемового железа, максимально сохраняющего в течение длительного времени свои свойства. Указанная цель достигается посредством предохранения источника железа от денатурации в процессе производства.

Техническим результатом изобретения является: повышение биодоступности железа; улучшение технологичности производства (уменьшение числа операций, нормализация температуры производства смесей); расширение номенклатуры форм продукции; увеличение сроков хранения.

Заявленный технический результат достигается тем, что гематоген содержит черный альбумин (гемаглобин), носитель, компоненты для формования, корректоры вкуса и аромата, имеющие следующее соотношение ингредиентов, в масс. %:

черный альбумин от 3 до 25,

компоненты для формования от 1 до 10,

корректоры вкуса и аромата от 0 до 25,

носитель остальное.

Черный альбумин находится в такой нативной форме, что его ИК-спектр поглощения имеет пик на 1655±2 см-1 площадь которого составляет от 35 до 80% от суммы площадей всех пиков в спектральной области от 1600 до 1700 см-1 и пик на 1628±2 см-1 с площадью от 5 до 40% от указанной суммы площадей. Площадь остальных пиков, соответствующих неупорядоченной структуре не превышает 20%.

Поскольку гемовое железо является формой железа инертной по отношению к другим компонентам пищи и биологически активным веществам, возникает возможность сочетания в заявляемом продукте других БАВ (в том числе и тех, которых совмещать с негемовой формой железа нецелесообразно: кальций, полифенолы, цинк, марганец и т.д.).

В соответствии с заявляемом изобретением гематоген может дополнительно включать биологически активные вещества, выбранные из групп: витамины, минералы, аминокислоты, флаваноиды в количестве от 0 до 80 масс. %

К этим БАВ относятся: витамины - A, B₁, В₂, В₃, В₅, В₆, В₉, В₁₂, Е, Д₃, К₁ и т.д.; минералы - кальций, магний, цинк, марганец, медь, селен, йод, молибден, хром, калий и т.д.; аминокислоты - карнитин, аргинин, холин, глицин, глутаминовая кислота, цистеин, метионин и т.д.; флавоноиды - рутин, кверцетин, гесперидин, диосмин, силимарин и т.д.

Продукт, создаваемый на основе заявляемого изобретения, может существовать в различных препаративных формах: в виде таблетки, спрессованного брикета, капсулы и т.п. Всех их объединяет температурный предел термического воздействия на гемоглобин (черный альбумин) не более 50°С.

Для получения продукта гемоглобин (черный альбумин) перемешивается с порошкообразным носителем в смесителе до однородного состояния смеси.

В качестве носителя может использоваться любой фармацевтически пригодный носитель или смесь носителей, обладающий необходимыми свойствами прессуемости, сыпучести, текстуры и вкуса, такой как, производные целлюлозы (микрокристаллическая целлюлоза разных марок и разного фракционного состава, порошковая целлюлоза, карбоксиметилцеллюлоза, ее соли, кроскарамеллоза, гидроксипропилметилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза и т.д.), сахара (глюкоза, фруктоза, сахароза, высушенный глюкозный сироп, мальтодекстрин, лактоза и т.д.), сахароспирты (сорбит, маннит, ксилит, мальтит и т.д.), полисахариды (крахмал, декстрины, инулин, фруктоолигосахариды и т.д.), неорганические соли (кальция карбонат, кальция фосфат, магния карбонат, магния фосфат и т.д.), органические соли (кальция цитрат, кальция лактат, магния цитрат, магния лактат и т.д.), камеди (аравийская, гуаровая, ксантановая, рожкового дерева и т.д.), синтетические полимеры (поливинилпирролидон, поливинилполипирролидон, поливиниловый спирт, поливинилацетат и т.д.). Носитель может быть предварительно гранулирован по методу влажной или сухой грануляции. В качестве смесителя может использоваться любое перемешивающее устройство, предназначенное для смешивания порошкообразных компонентов, например, вертикальный миксер с высоким сдвиговым усилием, снабженный мешалкой и измельчающим устройством (чоппером) (тип Diosna, Bosch, Bohle и т.д.), горизонтальный миксер, снабженный скребковой мешалкой и измельчающими устройствами (чопперами) (тип Lodige и т.д.), емкостные смесители, в том числе снабженные чоппером (V-образный, «пьяная» бочка, тип Servolift, Bohle и т.д.) и т.д.

В смесь гемоглобина и носителя добавляются компоненты для формования, облегчающие процесс таблетирования (брикетирования), а также корректоры (корригенты) вкуса и аромата.

В качестве компонентов для формования, могут использоваться по отдельности или в комбинации вещества из следующих групп: связующие (крахмал, поливинилпирролидон, карбоксиметилцеллюлоза, ее соли, сополимер винилпирролидона и винилацетата, гидроксипропилметилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза и т.д.), разрыхлители (сода пищевая, лимонная кислота, крахмал, кроскарамеллоза натрия, натрия крахмал гликолят, поливинилполипирролидон и т.д.), скользящие (аморфны диоксид кремния, полученный пирогенным методом или методом осаждения и т.д.), смазьшающие (жирные кислоты, и их соли, тальк, натрия стеарилфумарат, крахмал, лейцин и т.д.). В качестве корригентов вкуса и аромата могут использоваться различные ароматизаторы (натуральные и идентичные натуральным), органические кислоты (лимонная, яблочная, винная и т.д.), сухие соки, сухие перемолотые фрукты, овощи и ягоды, какао порошок и т.д.

Полученную смесь спрессовывают в форму таблеток или брикетов на подходящем прессующем оборудовании. В качестве оборудования для прессования могут использоваться таблеточные прессы различного принципа действия (ротационные, эксцентриковые и т.д.), роликовые компакторы, прессы для брикетов.

При необходимости на препаративную форму наносят пленочное или сахарное покрытие. Полученные таким образом, таблетки упаковывают в любую пригодную упаковку (блистер, банка, саше-пакет и т.д).

Допускается при приготовлении смеси использовать влажную или сухую грануляцию, при этом температурные режимы процесса не должны превышать 50°С.

Возможно полученную смесь гемоглобина и остальных компонентов расфасовывать в твердые желатиновые капсулы без прессования.

Контроль подлинности нативной структуры в препаративных формах рекомендуется осуществлять посредством инфракрасной спектроскопии. Для этого используется ИК спектрометр с преобразованием Фурье, оснащенный приставкой нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) и соответствующим программным обеспечением (например, Shimadzu Affinity-1S, Perkin Elmer Spectrum Two, Thermo Scientific Nicolet iS5 и т.д.). В стандартном спектре поглощения белков выделяют три характерные спектральные области, наличие и свойства которых обуславливаются вторичной структурой самого белка (In Infrared Analysis of Peptides and Proteins; Singh, B.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1999). Это области: амид I (1600-1700 см^-1), амид II (1500-1600 см^-1) и амид III (1200-1350 см^-1). Наиболее представительной является область амид I (1600-1700 см-1). Именно в ней, при соответствующей обработке спектра, можно обнаружить характерные пики для α и β субъединиц гемоглобина, а также пики характерные для неупорядоченной структуры (Conformational changes of bovine hemoglobin at different pH values, studied by ATR FT-IR spectroscopy. Damian G., Canpean V.; Romanian Journal of Biophysics, Vol. 15, Nos. 1-4, P. 67-72, Bucharest, 2005). Критерием подлинности нативной структуры, в нашем случае, можно считать наличие в ИК-спектре поглощения исследуемого образцы пиков, характерных для а субъединицы (1655±2 см^-1) и β субъединицы (1628±2 см-1) гемоглобина. Площадь пика, соответствующего а субъединице, должна составлять (в зависимости от рН системы) - от 35 до 80%, площадь пика, соответствующего, β субъединице - от 5 до 40%, площадь пика соответствующего неупорядоченной структуре не должна превышать при этом 20%.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ

Для получения таблеток нативного гематогена берут 200 г гемоглобина (черного альбумина) смешивается с 667,560 г предварительно приготовленного совместного гранулята глюкозы, сахарозы и поливинилпирролидона (538,51 г, 103 г и 36,05 г соответственно) в миксере-грануляторе Diosna объемом 6 литра в течение 1 минуты при скорости основной мешалки 630 об/мин, скорость чоппера 1500 об/мин.

В полученную смесь добавляется 103 гр сухого сока малины и 8,24 гр натурального малинового ароматизатора. Перемешивается в течение 1 минуты при скорости основной мешалки 630 об/мин, скорости чоппера 1500 об/мин

В смесь добавляют 10,3 гр аморфного диоксида кремния и перемешивают в течение 1 минуты (скорость основной мешалки 630 об/мин, скорость чоппера 1500 об/мин)

Добавляют 15,45 гр талька, 10,3 гр кислоты стеариновой и 5,15 гр стеарата магния и перемешивают 30 секунд при скорости основной мешалки 630 об/мин и выключенном чоппере.

Готовую таблеточную смесь прессуют ротационном таблеточном прессе Kambert. Полученные таблетки имеют следующие параметры: диаметр 14 мм, средний вес 1030 мг, высота 5,3 мм, прочность 120-125 Н.