Усовершенствование технологии и разработка новых видов рецептур зубных паст

Вид материалаАвтореферат

Содержание


Научный руководитель
Ведущая организация
Общая характеристика работы.
Научная новизна.
Практическая значимость работы.
Апробация работы.
Структура и объем работы.
Основное содержание работы
1. Обзор литературы.
2. Экспериментальная часть.
2.1. Методы исследования
2.2.1. Получение и анализ сверхкритических флюидных экстрактов БАВ.
2.2.2. Микрокапсулирование БАВ в гелиевые хитозан-альгинатные оболочки.
2.3. Разработка основы зубной пасты.
2.3.1. Обоснование выбора абразивного компонента.
2.3.2.Обоснование выбора загустителя зубной пасты.
2.4. Разработка рецептуры зубной пасты.
2.6. Клинико-токсикологические испытания зубной пасты нового поколения.
8. Проведены промышленные испытания и выпуск продукции. 9.
10. Клинико-токсикологическими исследованиями подтверждён лечебно-профилактический статус разработанной зубной пасты. 11.
...
Полное содержание
Подобный материал:
  1   2   3


На правах рукописи


Воронцова Наталия Николаевна


УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

И РАЗРАБОТКА НОВЫХ ВИДОВ РЕЦЕПТУР

ЗУБНЫХ ПАСТ


Специальность: 05.18.06 – Технология жиров,

эфирных масел и парфюмерно-косметических продуктов


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский Государственный университет пищевых производств», ОАО «Косметическое объединение «Свобода»


Научный руководитель доктор технических наук, профессор Кривова Анна Юрьевна


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Скрябина Наталья Михайловна


доктор химических наук, профессор Варламов Валерий Петрович


Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности Россельхозакадемии


Защита состоится 26 февраля 2009 г. в на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148 07 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, ауд. корп.А.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП.


Автореферат разослан января 2009 г.


Ученый секретарь Совета Богатырева Т.Г.


Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Разработка новых технологий для конкурентоспособных косметических изделий с высокой потребительской, биологической ценностью и длительным сроком годности – это перспективное направление развития косметической промышленности. Наибольший интерес с этой точки зрения представляют изделия каждодневной гигиены полости рта. Для обеспечения статуса зубной пасте как изделия лечебно-профилактического, необходима актуализация биологического и лечебно-профилактического потенциалов состава данных изделий.

В настоящее время большое внимание уделяется поиску новых биологически активных компонентов. Поиск и сравнительное изучение свойств синтетических и природных веществ, а также их смесей для повышения лечебно-профилактических качеств зубной пасты является задачей актуальной. Наряду с вышесказанным, сохранение первоначального качества зубных паст на протяжении всего срока годности, заявленного производителем, а также повышение безопасности для здоровья зубных паст является важной проблемой и имеет практическое значение. Разработка и изготовление косметической продукции с определенными лечебно-профилактическими свойствами основана на подборе необходимого состава не только БАВ, но и компонентного состава рецептур. Такой подход к решению проблемы дает возможность получения инновационных, косметических продуктов с новыми свойствами.

В связи с этим углубленное изучение химического состава компонентных смесей, а также особенностей структуры и свойств, вводимых в изделия БАВ, совершенствование технологии производства и методологии разработки рецептур для создания конкурентоспособных изделий, в частности зубных паст является актуальным и своевременным.

Степень разработанности проблемы. Теоретические и научно-практические исследования диссертационной работы основаны на фундаментальных научных трудах известных отечественных и зарубежных ученых Н.М. Эмануэля, П.А.Ребиндера, Шталь Е., В.Х. Пароняна, А.Ю.Кривовой, С.А.Ливинской, Э.В.Фрончека, А.А.Куликова и является продолжением исследований, проводимых на кафедре «Технология жиров и биоорганического синтеза» МГУПП.

Цели и задачи исследования. Целью настоящего исследования являлось осуществление комплексного подхода к проблемам получения стабильных суспензий и эмульсий и разработка на их основе зубных паст, содержащих БАВ в виде добавки, придающей изделию функциональные и лечебно-профилактические свойства, а также усовершенствование технологий зубных паст. В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:

-определение направления по расширению ассортимента зубных паст лечебно-профилактической направленности на основании маркетинговых исследований;

-разработка метода экстракции сверхкритических флюидных растительных экстрактов на основе изучения влияния технологических параметров на качественный и количественный состав;

- обоснование выбора БАВ, которые могут быть использованы в виде добавок в зубные пасты функционального назначения;

- разработка метода получения капсулированного ретинол пальмитата из альгинат-хитозанового комплекса;

- разработка научно обоснованных рецептур и технологий получения зубных паст с заданными функциональными свойствами;

- изучение теоретических и прикладных аспектов включения ингредиентов в рецептуры зубных паст, обеспечивающих улучшенные реологические свойства изделию;

- обоснование получения дисперсных систем оптимального количественного и качественного состава, обеспечивающих заданные физико-химические и органолептические характеристики разрабатываемых зубных паст;

- изучение кинетики окислительных процессов в разработанных зубных пастах с целью определения условий и сроков безопасного хранения;

- подтверждение функциональных свойств разработанной зубной пасты;

- усовершенствование технологии производства зубной пасты, апробирование новой технологии в промышленных условиях.

Научная новизна. В диссертационном исследовании автором получены следующие научные результаты:

- на основании экспериментальных данных научно обосновано применение сверхкритических флюидных экстрактов в качестве многофункциональных добавок в лечебно-профилактические зубные пасты на основании состава экстрактов и доказано лечебное действие зубных паст клинико-токсикологическими испытаниями, которое показывает кровоостанавливающий и регенерирующий эффекты ;

- установлена зависимость химического состава сверхкритических флюидных экстрактов от температуры экстракции, показана температура экстракции 400С;

- установлена зависимость механических свойств микрокапсул с инактивированным ретинол пальмитатом от способа производства и свойств хитозана;

- научно-обоснованно введение ингредиентов в рецептуру зубной пасты с целью обеспечения потребительских свойств, в частности консистенции;

- определены сверхкритические СО2-экстракты, обеспечивающие наряду с высокими биологически активными свойствами, высокую антиоксидантную активность;

- обоснованы лечебно-профилактические свойства, косметические свойства зубной пасты, проявляющиеся в результате применения предлагаемых биологически активных веществ.

Практическая значимость работы. Разработана основа зубной пасты с вводом композиции абразивно-загущающих ингредиентов (диоксид кремния : натрий карбоксиметилцеллюлоза : глицерин) и обеспечивающая получение продуктов со стабильной однородной консистенцией, отвечающей требованиям нормативной документации. Предложено и обосновано использование СО2-экстрактов, обладающие кровоостанавливающими, противовоспалительными и антиоксидантными свойствами. Разработаны условия экстракции для получения экстрактов с заданными свойствами. Разработаны условия капсулирования ретинол пальмитата с применением альгинат-хитозанового комплекса. Получены принципиально новые аспекты составления рецептур зубной пасты на основе использования загущающей композиции и СО2-экстрактов. Увеличен срок годности зубной пасты с 24 месяцев до 30 месяцев за счет введения предлагаемых природных антиоксидантов. Дана практическая оценка эффективности использования нового вида зубной пасты, как лечебно-профилактического средства. Усовершенствована технология промышленного производства зубной пасты, позволившая сократить время варки зубной пасты на 2,5 часа. По результатам работы получено 3 патента.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Международной научной конференции «Рациональные пути использования вторичных ресурсов АПК (Краснодар, сентябрь 2007), IV международной конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2006), 2-ой Международной конференции «Рыночные исследования в масложировой и в смежных отраслях пищевой промышленности» (Санкт-Петербург, май 2006), I международной научно-практической конференции «Сверхкритические флюидные технологии» (Ростов-на-Дону).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе в журнале, рекомендованном ВАК -2 и 3 патента.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, в которой даны описания методов исследования, результаты исследования, главы обсуждения результатов, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 157 страницах (с приложениями), включает 14 таблиц и 25 рисунка, 2 приложения. Список литературы включает 171 источник, из них 82 зарубежных автора.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее научно-практическое значение, сформулирована цель работы.

1. Обзор литературы. На основе отечественной и зарубежной литературы дан анализ и современное состояние проблемы: маркетинговыми исследованиями установлены приоритеты зубных паст - это самый потребляемый продукт косметической промышленности. Обобщена информация о производстве зубных паст в России и за рубежом. Приведены основные положения коллоидной химии по загущению коллоидных и истинных растворов, которые образуются при создании зубной пасты. Рассмотрены основные аспекты получения за рубежом СО2-экстрактов растительного сырья методом сверхкритической экстракции и методы разделения массы после экстрагирования. Показано, что нет исследований в данной области в России. И, как следствие, в технической литературе отсутствуют научно обоснованные требования к показателям качества экстрактов, используемых для производства зубных паст. Дана характеристика проблемы использования ретинол пальмитата в зубной пасте, рассмотрен метод инкапсулирования липофильных соединений в хитозан-альгинатные гранулы для сохранения витамина в агрессивном составе зубной пасты.

2. Экспериментальная часть. Исследования и промышленные испытания проводились на базе ОАО «Свобода» (г,Москва), на кафедре «Технология жиров и биоорганического синтеза» ГОУ ВПО МГУПП, НИЦ ЭР «ГОРО», МГУ им.Ломоносова, ЦНИИХМ, ИНЭОС им.Несмеянова.

2.1. Методы исследования. Раздел диссертации посвящен экспериментальной базе, состоящей из лабораторного и технологического оборудования, объектов и программ исследований, биохимических, физико-технологических, химических методик исследования, призванных оценить свойства полученных продуктов и полупродуктов. Оценка реологических свойств концентрированных суспензий и растворов полимеров проводили на ротационном вискозиметре типа «Полимер «РПЭ-1М»; определение антиокислительных свойств СО2-экстрактов осуществляли согласно метилолеатной модели по методике, представленной в работе Шишкиной Л.Н. (1992); критическую концентрацию мицеллообразования (ККМ) водных растворов ПАВ определяли по зависимости их поверхностного натяжения (σ) от концентрации; внешний вид и консистенцию, цвет и запах определяли согласно ГОСТ 29188.0 раздел 3; определение водородного показателя pH по ГОСТ 29188.2 в водной суспензии массовой долей зубной пасты 25% проводили на pH-метре, калиброванном на 2-3 значения; Исследования качественного состава образца экстракта велись методом хромато-масс-спектрометрии; механическую прочность капсул оценивали на приборе Texture Analyzer; определение проницаемости капсул вводили на жидкостном хроматографе, снабженном колонками Shodex SG-G и SB-803 HQ.

Достоверность экспериментальных данных подтверждена статистическими методами, в таблицах и на рисунках приведены результаты в виде средних значений с указанием доверительного интервала среднего арифметического значения параметра. Схема исследований представлена на рисунке 1.

Маркетинговые исследования-

Обоснование темы исследования




Разработка лечебно-профилактической зубной пасты






обоснование выбора БАВ Выбор основы зубной пасты






Подбор условий сверхкрити микрокапсулирование

ческой флюидной экстракции ретинол-пальмитата Исследование свойств основы






Исследование химического Исследование Разработка рецептуры

состава БАВ (СО2-экстрактов) стабильности БАВ зубной пасты



Составление композиции

БАВ для зубной пасты Выпуск опытно-промышленной

партии зубной пасты




Исследование антиоксидантных Исследование стабильности

свойств композиции зубной пасты при хранении и

обоснование срока годности



Клинико-токсикологические

испытания зубной пасты




Апробирование технологии и

проведение промышленных испытаний


Рис. 1. Схема исследования.

2.2. Результаты и обсуждения.

2.2.1. Получение и анализ сверхкритических флюидных экстрактов БАВ.

Статус лечебно-профилактического продукта, в частности зубных паст, во многом определяется не только основой продукта, но и наличием в нем активных ингредиентов со специфическими биологическими свойствами.

В настоящее время в косметической отрасли складывается тенденция производства натуральной, экологически чистой продукции с сохранением максимально полного набора компонентов исходного сырья. Растительные СО2-экстракты наиболее полно отвечают этому требованию, являясь источником функциональных ингредиентов.

Анализ состояния и направлений развития технологий обработки растительного сырья показал, что наибольшими перспективами с этой точки зрения является технология получения по методу СО2-экстракции в сверхкритическом состоянии.

В качестве биологически активных добавок в данном исследовании использовали СО2-экстракты, полученные посредством сверхкритической углекислотной экстракции. Были отобраны экстракты, обладающие целевыми биологическими функциями, а именно кровоостанавливающим и противовоспалительным действием, и как следствие ранозаживляющим и регенерирующим свойствами: экстракты ромашки, шалфея, можжевельника.

Для выбора оптимальных условий экстракции необходимо было выяснить влияние технологических режимов процесса на состав экстрактов. С этой целью первоначально была проведена серия исследований зависимости количественного выхода экстрактов от давления. На основании экспериментальных данных признано оптимальным проведение сверхкритической флюидной экстракции при давлении 400 атм.

В ходе дальнейших исследований было изучено влияние температуры на состав сверхкритических флюидных экстрактов шалфея. Исследования осуществлялись в интервале температур 40 – 80оС. В результате проведенных исследований было установлено, что экстракты, полученные при температурах 40, 60 и 80оС, являются принципиально различными комплексами. Показатели качества и содержание основных БАВ данных экстракта шалфея представлены в таблице1. Температура 40оС близка к нижней границе сверхкритической области и является минимальной температурой, при которой экстракция осуществляется сверхкритической двуокисью углерода. Проведение экстракции при температуре выше 80оС, как правило, приводит к термическому разложению природных соединений, а также это и экономически не целесообразно, что и было подтверждено нашими экспериментами. Из приведенных результатов видно, что содержание токоферолов в СО2-экстракте шалфея при экстракции в изученном диапазоне температур довольно высокий, а содержание каротиноидов низкое.


Таблица 1.

Показатели и состав экстракта шалфея, полученного при различных температурах.

Наименование показателей и состав экстрактов

Температура экстракции

40оС

60оС

80оС

Кислотное число, мг КОН/г

47,5-49,0

89,5-91,0

98,5-100,0

Показатель преломления при 20оС

1,473-1,476

1,464-1,469

1,474-1,478

Токоферолы (витамин Е), мг %

41,2-42,3

37,8-38,9

21,8-22,4

Каротиноиды (провитамин А), мг %

1,41-1,45

0,95-1,0

0,78-0,99

Жирные кислоты, % к сумме:

Пальмитиновая



5,9



18,3



26,3


Стеариновая

Олеиновая

Линолевая

Линоленовая

1,8

40,6

3,0

1.8

1,4

33,4

27,3

2,5

1,3

31,5

31,7

3,4


Интересен жирно-кислотный состав экстрактов. F-витаминной активностью обладают линолевая и линоленовая кислота. Линоленовая кислота присутствует в относительно небольших количествах (от 1,8 до 3,4% к сумме). Массовая доля линолевой кислоты превышает 30% от суммы жирных кислот, за исключением условий экстракции при 40оС, поэтому можно отметить высокую F-витаминную активность представленных СО2-экстрактов, полученных при режимах 60, 80оС.

Наряду с вышесказанным необходимо отметить, что при сравнении качественных показателей экстрактов, полученных при различных температурных режимах, ведение экстракции при 80оС дают значительное увеличение кислотного числа, что в свою очередь ограничивает срок годности последнего. На основании анализа полученных данных (табл. 1.) для получения СО2-экстрактов методом СФЭ температурный параметр ведения процесса необходимо поддерживать на уровне 60оС. В таблице 2 представлены качественные показатели экстракта ромашки, полученные при ведении процесса экстракции с температурой 60оС. Корни и молодые побеги можжевельника используют для лечения заболеваний слизистой оболочки полости рта. Это свойство и делает СО2-экстракт молодых побегов можжевельника интересным для разработчиков косметических средств по уходу за полостью рта, а именно для зубных паст. В связи с тем, что данный экстракт планируется впервые вводить в рецептуру зубной пасты, необходимо детальное изучение СО2-экстракта молодых побегов можжевельника, т.к. при производстве СО2-экстракции в сверхкритическом состоянии происходит концентрирование в экстракте не только позитивных биологически активных веществ, но и негативных органических соединений, в соотношении, которое определено природой растения. Исследование состава СО2-экстракта можжевельника показало высокую концентрацию биологических веществ.


Таблица 2.

Качественные показатели СО2-экстракта ромашки.

Наименование показателей

Значение показателей и массовая доля экстрактивных веществ

Кислотное число, мг КОН/г

45,5 – 47,0

Показатель преломления при 20оС

1,475 – 1,479

Эфирное число, мг КОН/г

76,5 – 79,3

Токоферолы (витамин Е), мг %

98,5 – 100,0

Каротиноиды (провитамин А), мг %

33,5 – 35,0

Эфирное масло, %

5,2 – 6,3

Состав эфирного масла:

Массовая доля сесквитерпеновых соединений, в т.ч. азулена, %


43,55 – 44,26

0,001


Проведенный методами ГХ-МС анализ качественного состава СО2-экстракта можжевельника позволил выделить: α-фелландрен (1), циклофенхен (2), β-мирцен (3), β-феландрен (4), 3-карен (5), лимонен (6), бензен аллил (7), γ-терпинен (8), терпинеол (9), β-елемен (10), γ-елемен (11), кариофиллен (12), гермакрин D (13), α-кариофиллен (14), б и ι-кадинен (15, 16), муролол (17), α-кадинол (18), фарнесал (20), изопропилбициклононан (21), пальмитиновую (22) и линоленовую (23) кислоты в общем количестве до 15%. Аналитическими методами подтверждено присутствие витамина С и К. На представленной диаграмме (рис. 2.) показан качественный состав экстракта.


23


1

2

4

9

3

5 6 7 8

10 11 12

13

15

14

16

18

19

21

22

17

20


0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

время удержания

Рис. 2. Масс-спектр СО2-экстракта молодых побегов можжевельника, полученного методом СФЭ при 400 атм., 370С с 3-х фазным фракционированием.

При изучении физиологической активности экстракта можжевельника и индивидуальных составляющих было обращено внимание не только на положительные свойства, но и на побочные реакции при его испытании, а именно на влияние составляющих экстракта на мышечные волокна гладкой мускулатуры. В опытной партии наблюдалось негативное воздействие на периферический нервный импульс, выражающейся повышенным тонусом гладкой мускулатуры. Было показано, что побочные явления вызывают пигменты и смолы. Для избавления от балластных и вредных веществ был предложен метод фракционирования продукта при изготовлении экстракта.

Фракционирование СО2-экстракта осуществляли в ходе технологического процесса по времени удержания его составляющих в растворителе (СО2), так для смол и пигментов было характерно более длительное время удержания, что в свою очередь делало возможным отделение легколетучих фракций экстракта. В процессе фракционирования установлено, что основная часть активных веществ, в которых мы заинтересованы присутствовали во фракции с периодом удержания 1 минута.

Клинические испытания подтвердили отсутствие аллергенности, наличие противовоспалительных и ранозаживляющих свойств выделенной фракции, а также отсутствие повышения тонуса гладкой мускулатуры при их использовании. Исследования фракции были на 90% представлены таким веществом как кадинол (рис.3).










% 100 161





50 105 134

41 81 204.1










0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 m/z

Рис.3. Идентификация кадинола.

Таким образом, нами было показано, что при получении экстракта побегов можжевельника методом сверхкритической флюидной экстракции при условии фракционирования в ходе технологического процесса в нем концентрируются необходимые нам позитивные компоненты.

Предлагаемая для дальнейшего использования композиция БАВ содержит в своем составе СО2-экстракты ромашки, шалфея и фракционированный СО2-экстракт можжевельника.

2.2.2. Микрокапсулирование БАВ в гелиевые хитозан-альгинатные оболочки.

На основании выше проведенных данных по исследованию БАВ СО2-экстрактов, было показано, что предлагаемая композиция обеднена каротиноидами (провитамин А). Известно, что ретинол (витамин А) в растительных пищевых продуктах как таковой не встречается, наряду с этим данный витамин обладает способностью стимулировать реакции гуморального и клеточного иммунитета в ответ на действие антибактериальных антигенов, делает это вещество интересным и необходимым для создания продукта, в частности зубных паст, обладающих иммуномодулирующим действием. В лечебно-профилактической практике применяют препараты, содержащие витамин А, природного происхождения и синтетические препараты: ретинол ацетат и ретинола пальмитат. Важнейшими задачами являются разработка рационального способа сохранения активности БАВ на длительный срок в агрессивной внешней среде и разработка форм доставки БАВ по месту назначения. В связи с этим, проблемам микрокапсуляции биологически активных веществ (БАВ) путем химической коацервации в оболочки из природных полиэлектролитов в последние годы уделяется повышенное внимание. Нами совместно с ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт химии и механики» разработан способ микрокапсулирования ретинола-пальмитата в гелиевые хитозан-альгинатные оболочки. На основании оценки описанных в литературе многочисленных примеров хитозан-альгинатной коацервации был выбран метод одностадийного капельного образования микрокапсул из водных растворов альгината и хитозана в присутствии ионов кальция. Разработанный нами вариант включает на первой стадии приготовление эмульсии ретинол пальмитата в водном растворе альгината натрия. После введения модифицирующей добавки, эмульсию через стальные иглы диаметром 0,3 мм прибавляли к раствору хитозана, содержащему соли кальция. Образуется суспензия капель коацервата, в которую вводили рассчитанное количество второго модификатора для повышения прочности свойств оболочки. В качестве модифицирующего агента использовали фосфатные соединения натрия. Суспензию выдерживали при заданной температуре 400С в течение времени, необходимого для завершения реакции образования полиэлектролитного комплекса и оптимального уплотнения гелиевой оболочки. Далее смесь фильтровали, капсулы промывали дистиллированной водой и помещали в водный раствор консерванта. В результате получили водную суспензию микрокапсул ретинолпальмитата, которая и являлась готовым продуктом. Разработанному методу было дано название капельная технология dew technology (сокращенно dewtech), которая реализована аппаратурно, на данный метод получен патент. По технологии dewtech получены гелиевые микрокапсулы ретинолмальмитата со средним диаметром 2,5 мм. Капсулы монодисперсны по размерам, имеют достаточно высокую прочность при одноосном сжатии (30-60 н). Концентрация водной суспензии готового продукта составляет 65%. В ядре каждой капсулы содержится примерно 3,5 мг ретинолмальмитата. Разработанный метод позволяет получать сферические гелевые частицы с альгинатной сердцевиной и хитозан-альгинатной оболочкой, как это видно на рис.4. Проведено исследование сохраняемости свойств водной суспензии микрокапсул ретинол пальмитата, полученного статистическим методом dewtech, в условиях форсированного старения. Методами ВЭЖХ и ПМР-спектрометрии установлено, что стабильность ретинол пальмитата, заключенного в гелиевые хитозан-альгинатные оболочки, заметно выше стабильности не инкапсулированного препарата.