Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований
1.1. Научно- технические основы таблетирования порошкообразных материалов 6
1.2. Анализ способов получения таблетированных продуктов с лактозой 21
1.3. Обоснование выбранного направления и задачи исследований 36
Глава 2. Методология и организация исследований
2.1. Структура и объекты исследований 38
2.2. Методы исследований и приборное обеспечение 38
2.3. Математическое планирование эксперимента и обработки результатов 44
Глава 3. Аналитические и экспериментальные исследования состава и свойств молочного сахара
3.1. Кристаллографические характеристики лактозы и ее производных 46
3.2. Микроструктура различных видов молочного сахара 53
3.3.Технологические свойства молочного сахара 62
Глава 4. Исследование процесса таблетирования молочного сахара методом прессования
4.1. Определение диапазона давлений прессования молочного сахара 69
4.2. Влияние давления прессования на механическую прочность таблеток молочного сахара 78
4.3. Влияние влажности на процесс прессования и качество таблеток молочного сахара 87
4.4. Структурообразование таблеток молочного сахара 92
4.5. Влияние параметров процесса прессования на микробиологические показатели таблеток молочного сахара 95
Глава 5. Исследование процесса таблетирования молочного сахара формованием влажных масс
5.1. Влияние влажности на процесс формования таблеток молочного сахара 100
5.2. Изучение процесса сушки таблеток молочного сахара... 107
Глава 6. Характеристики таблетирования порошков лактулозы
6.1. Изучение кристаллической структуры лактулозы 109
6.2. Исследование процессов прессования и структурообразования таблеток лактулозы распылительной сушки 111
6.3. Исследование связывающей способности сиропов лактулозы 114
Глава 7. Разработка технологии таблетированного продукта
7.1. Технологическая схема производства таблетированного продукта... 117
7.2. Изучение состава и свойств таблетированного продукта 121
7.3. Экологический мониторинг технологии таблетирования 123
7.4. Оценка экономической эффективности разработанной технологии.. 124
Выводы 128
Список использованной литературы 13.1
Приложения 155
- Анализ способов получения таблетированных продуктов с лактозой
- Математическое планирование эксперимента и обработки результатов
- Микроструктура различных видов молочного сахара
- Влияние давления прессования на механическую прочность таблеток молочного сахара
Введение к работе
В настоящее время разработке технологий бифидогенных продуктов на основе лактозы и ее производных уделяется большое внимание, что объясняется огромной ролью бифидофлоры для здоровья человека.
Преимущества технологии таких продуктов в виде сухих порошков не вызывают сомнений. Однако за счет небольших объемных масс порошки требуют значительных затрат на таро - упаковочные материалы, а также имеют непродолжительный срок хранения. Кроме того, высокая дисперсность получаемых порошков ухудшает условия труда и экологическую обстановку на рабочих местах, что приводит к росту профзаболеваний обслуживающего персонала. Высокая дисперсность также является причиной потерь порошка на всех технологических стадиях его производства и транспортировки.
Особую роль играет таблетирование порошкообразных материалов, которое позволяет придать продуктам более совершенную форму. В результате этого значительно увеличивается срок хранения, уменьшаются потери при транспортировке и затраты на упаковку. Немаловажным преимуществом таблетирования является возможность сочетания веществ, несовместимых по их физико- химическим свойствам. Бифидогенные продукты в таблетках удобны для применения в быту, экспедициях и в других условиях, где важна экономия в массе и объеме.
Анализ априорной информации показывает, что изучению проблемы таблетирования молочного сахара и производных лактозы в пищевой промышленности России не посвящено ни одного фундаментального исследования. Это связано с тем, что технологические свойства таблетирования фармакопейной лактозы изучены и не нуждаются в дальнейшем совершенствовании [22, 207].
Частично технологические свойства различных видов молочного сахара изучались с целью проектирования оборудования для сыпучих материалов [40, 41]. Данные по таблетированию молочного сахара пищевой категории,
5 который, по нашему мнению, может выступать основой таблетки, отсутствуют.
С развитием технологий получения производных лактозы (лактулозы, лактитола, глюкозо - галактозного сиропа и т. п.) необходимо их продвижение на рынке. Технология таблетирования позволяет получать широкий ассортимент бифидогенных продуктов, разнообразие состава и формы которых может меняться в зависимости от конъюнктуры рынка. Нами предлагается в качестве основы таблетки использовать лактозу, которая на рынке фармацевтической промышленности развитых стран мира успешно применяется в течение 50 лет, в качестве активного ингредиента - пребиотик лактулозу. Кроме того, рассматривая таблетирование как элемент маркетинга, мы полагаем, что эта технология является весомым элементом, таким как «поддержка товара». Поэтому разработка технологии таблетированных продуктов на основе лактозы и ее производных является актуальной задачей пищевой промышленности.
Анализ способов получения таблетированных продуктов с лактозой
Систематизация способов получения таблетированных продуктов с лактозой позволяет выделить основного ее потребителя - фармакопею.
Молочный сахар высокой степени очистки, в большинстве своем, применяется при изготовлении таблетированных препаратов в качестве разбавителя (иногда их называют наполнителями) порошков, активного ингредиента и в других случаях. В случае, когда лекарственное вещество входит в состав таблетки в небольшой дозировке (обычно 0,01 - 0,001 г), а также является ядовитым или сильнодействующим веществом, часто возникает необходимость в применении соединения, которое составило бы основу таблетки, как бы «разбавив» действующее вещество в своей массе [26,51,128,140,283,284].
Исследования в области использования вспомогательных веществ показывают, что выбор конкретных разбавителей должен быть научно обоснован, так как они в значительной мере определяют технологические свойства таблетируемой массы и качественные характеристики готовых таблеток. При этом учитывают строение, свойства и экономическую целесообразность применения того или иного разбавителя [18,52].
Действующим отраслевым стандартом «Молочный сахар» предусмотрен выпуск 9 видов и сортов молочного сахара. В основу производства различных видов молочного сахара из осветленной сыворотки положена кристаллизация лактозы при температуре пересыщенного раствора ниже 93,5С. В этой области температур обеспечивается получение а- формы лактозы [220], элементарный состав которой приведен в табл.2.
Вырабатываемый в промышленных условиях молочный сахар является а - гидратом, т.е. содержит 5 % кристаллической воды.
Из литературы известно, что кристаллическая вода определяет свойства кристалла, кристаллическую структуру и, следовательно, играет значительную роль в технологии таблеток.
В работе [27] отмечается, что органические кристаллогидраты при таблетировании образуют прочную структуру. С другой стороны, явление «цементации» таблеток в большинстве случаев связывают с наличием кристаллической воды в таблетируемых материалах [137, 280].
Кристаллографическая структура лактозы известна [220]. Она относится к моноклинной сингонии и аксиальному виду симметрии. В соответствии с силами сцепления между структурными элементами лактоза образует молекулярную решетку. Структурными элементами служат молекулы лактозы, которые прочно связаны между собой межмолекулярными вандер - ваальсовыми силами.
Форма кристаллов лактозы а- формы - усеченная пирамида, р - формы -четкие параллелепипеды. Длина кристаллов составляет 20 - 120 мкм, ширина-20- 80 мкм, отношение длины к ширине 0,6 - 0,7 [23]. По данным А.Г. Храмцова длина кристалла в 1,8 раза больше ширины, что характеризует анизометричность формы кристаллов. Кристалл может иметь до 16 поверхностей в виде трапеций, четырехугольников, параллелепипедов и ромбов [220].
Тракман Ю.Г., изучавший технологические свойства веществ, обеспечивающих прямое прессование таблеток отмечает полидисперсность порошков Д - (+) - лактозы 1 - водной, ее хорошую сыпучесть (более 5 г/с) обусловленную изодиаметрической формой кристаллов и их размером. Сыпучесть фракций порошка Д - (+) - лактозы 1 - водной с размером кристаллов менее 80 мкм не превышала 1,7 г/с и возрастала с увеличением их размера до 225 мкм в 6,5 раза. При дальнейшем увеличении размера кристаллов до 408 мкм сыпучесть уменьшается. Величина насыпной плотности, по его мнению, мало зависит от размера кристаллов и находится в пределах 510 - 650 кг/м3 [207].
В.В. Варваров и К.К. Полянский провели исследования влияния размера кристаллов и влажности на сыпучесть и насыпную плотность молочного сахара- сырца, высушенного на вихревой сушилке Я 4 ОВГ, который имел массовую долю лактозы - 91 %, молочной кислоты - 1 % и влажность 1 - 5 %. Установлено, что насыпная плотность зависит от размера кристаллов и в диапазоне от 0 до 600 мкм изменяется от 736,0 до 619,5 кг/м3.
Математическое планирование эксперимента и обработки результатов
С целью наиболее эффективного осуществления технологических процессов таблетирования лактозы и ее производных была решена оптимизационная задача. Она заключалась в нахождении зависимости между входными и выходными параметрами, а также определении уровней факторов, при которых выходные параметры оптимальны [89].
Экспериментально - статистический материал, необходимый для построения регрессионной модели, был получен при постановке активного эксперимента по специально разработанному плану. В работе использовался ортогональный план полного факторного эксперимента, позволяющий получать независимые оценки эффектов и на основании этого, определить оптимальные условия, адекватные истинным независимо от того, соответствуют ли они экспериментальным точкам или расположены между ними. Оптимизацию модели проводили с помощью программы «Построение модели по униформ- ротатабельному плану». В результате была получена математическая модель в виде уравнения регрессии, адекватно описывающая моделируемый процесс: нелинейность выходных параметров от рассматриваемых факторов. Проверка адекватности полученных уравнений проводилась по критерию Фишера, расчетное значение которого не должно превышать табличного [61], в зависимости от общего числа проведенных опытов и количества исследуемых факторов. Далее, в ходе анализа уравнений, определялось влияние варьируемых факторов и межфакторных взаимодействий на выходные параметры.
Оптимизация данных осуществлялась графическим методом путем построения сечений поверхности отклика выходного параметра, отражающих его зависимость от сочетания варьируемых факторов.
Целью настоящих исследований является сравнительная оценка кристаллографических характеристик лактозы и ее производных, а также определение их влияния на возникновение структурно - чувствительных свойств этих углеводов.
Молекула лактозы состоит из остатков молекул а - Д - глюкозы и Р - Д-галактозы и может существовать в пяти изомерных формах: а, р, у, 5, є. а - и р - формы лактозы являются основными и различаются стереохимической конфигурацией Н и ОН групп вокруг С (I) атома углерода глюкозы. Каждая из форм может быть как гидратной, так и ангидридной.
Агрегатное состояние лактозы в водных растворах обусловлено ее концентрацией, температурой и доброкачественностью раствора. В молоке лактоза содержится в виде молекул в свободном и связанном с другими компонентами молока состояниях. Размер элементарных частиц 1,0 - 1,5 нм. В насыщенных растворах и сухом молоке лактоза находится в аморфном состоянии, в пересыщенных растворах лактоза переходит в кристаллическое состояние [220].
Лактоза, являясь органическим веществом, образует молекулярную кристаллическую структуру. Молекулы лактозы в кристалле прочно связаньї между собой межмолекулярными ван - дер - ваальсовыми силами, а строение самих молекул определяется ковалентными связями между атомами.
Строение молекулы лактозы (рис. 5.), геометрия молекулы лактозы представлена в приложении 1 [247, 251].
Форма кристаллов лактозы обуславливает их строение и свойства. В связи с этим, рассмотрим пространственное изображение кристалла о моногидрата лактозы (рис, 6,).
Как видно из рис. 6. кристалл имеет 10 поверхностей в виде двух октаэдров и восьми тетраэдров различной формы. По данным А.Г. Храмцова кристалл а- гидрата лактозы может иметь до 16 поверхностей в виде различных геометрических фигур [220].
По нашему мнению, различие экспериментальных наблюдений исследователей из разных стран связано с особенностями проведения процесса кристаллизации а - моногидрата лактозы; скорости снижения температуры, пересыщения, наличия тех или иных примесей и т.п. При этом в одном случае может развиваться полная совокупность граней кристалла, в другом - часть граней не успевает вырасти и поэтому кристалл имеет «неправильную» геометрическую форму. Но и в том, и в другом случае кристаллы будут иметь одинаковое внутреннее строение, что обусловлено строгим расположением молекул в кристалле - пространственной решеткой. С микроскопической точки зрения любой кристалл представляет собой пространственную решетку (элементарную ячейку).
Микроструктура различных видов молочного сахара
Результаты рентгеноструктурного анализа молочного сахара приведены в приложениях 10,11, 12, 13,14. Нами проведена интерпретация полученных рентгенограмм молочного сахара, которая позволяет сделать некоторые выводы: 1. Все образцы молочного сахара (к.ч., рафинированный, пищевой, сырец) имеют кристаллическую структуру. При этом молочный сахар распылительной сушки (сырец) не является исключением. 2. Количество, профиль и область нахождения рефлексов кристаллической структуры для каждого вида молочного сахара различно, что подтверждается данными, представленными в табл. 6.
Разделение линий на субструктурные и сверхструктурные проводили с помощью данных, принятых нами в качестве эталона (приложение 15).
Анализ экспериментальных данных показал, что выделить субструктурные линии а - моногидрата лактозы затруднительно. Это связано со сложным изомерным составом кристаллов молочного сахара [227], а также присутствием соединений типа СбНі206 и С12Н22О11, субструктурные линии которых близки по своим значениям к а - моногидрату лактозы. Это подтверждается полученными нами данными (приложение 16).
Интенсивность рефлексов а - моногидрата лактозы для всех видов молочного сахара, полученного способом кристаллизации, уменьшается в сравнении с эталоном. Следствием этого уменьшения по нашему мнению может быть то, что а - и р - лактоза имеют очень близкие значения d, А (приложение 2, 3), а линии на рентгенограмме могут быть результатом наложения отражений этих фаз.
Если при наложении отражений а - и р - лактозы отношение интенсивностей 1эт / 1экс меньше 1, то можно говорить о доминировании отражения Р - лактозы и ее количественном увеличении в кристалле молочного сахара. Поэтому на основании анализа зависимостей изменения интенсивностей субструктурных кристаллических рефлексов (рис. 9 - 13) можно сделать вывод, что чем ниже доброкачественность молочного сахара, тем выше содержание в нем р - лактозы. В отношении способа получения молочного сахара с высоким содержанием р - лактозы предпочтителен способ распылительной сушки. Следует также отметить, что уменьшение интенсивностей субструктурных линий а - моногидрата лактозы может быть связано с тем, что эти линии являются субструктурными не только для Р -лактозы, но и возможно для других ее изомеров - у, 8, Є.
Количество сверхструктурных линий зависит от примесей молочного сахара, которые могут находится внутри кристалла и влиять на дифракционную картину в целом [186]. Основная область нахождения сверхструктурных линий - 11,5 29 16,5. Однако для сырца распылительной сушки примесь вообще не идентифицируется, что противоречит данным химического анализа. Поэтому можно предположить, что примесь может занимать как отдельные узлы элементарной ячейки кристалла, так и быть в составе молекулярного комплекса - углевод + примесь, снижая при этом интенсивность отражения.
Ассиметричный профиль линий на рентгенограммах молочного сахара носит с одной стороны закономерный характер: самая яркая линия является суперпозицией нескольких линий, с другой стороны указывает на дефекты кристаллического строения.
По мнению А. М. Стоунхема [204], дефекты оказывают большое влияние на пластичность, упругость, прочность кристаллов. При этом внутренние нарушения кристаллического строения определяют внешние параметры кристаллов: форму и размер.
Гранулометрический состав кристаллов молочного сахара достаточно хорошо изучен [72, 73, 75, 226]. По современным представлениям, на размер кристаллов молочного сахара оказывают влияние степень очистки сыворотки от балластных веществ и промывка кристаллов. Установлено [72], что крупные кристаллы молочного сахара- сырца содержат большое количество белковых веществ (80 - 95 %), а оставшиеся белковые вещества приходятся на мелкие фракции со средним диаметром менее 0,8 мм. Доля этих частиц составляла 63 - 82 %. С уменьшением размера фракций кристаллов молочного сахара содержание основных минеральных компонентов Са, Na, К несколько возрастает.
В наших исследованиях мы получили следующее распределение частиц по размерам в исследуемых видах молочного сахара (рис. 15.). Размер частиц каждой фракции, оставшейся на сите, рассчитывался как среднеарифметическое значение между диаметром отверстий верхнего и нижнего сита. На оси абсцисс экспериментальной кривой показан средний диаметр частиц (dq , мм), а на оси ординат - процентное содержание каждой фракции, рассчитанное по формуле
Влияние давления прессования на механическую прочность таблеток молочного сахара
Механическая прочность таблеток - важнейший критерий качества который обусловлен комплексом деформаций, произошедших в материале под давлением, и явлений, сопровождающих деформационные процессы. При этом имеют значение форма и размер кристаллов, влажность, химическая структура прессуемых веществ.
Для прочности таблеток весьма существенно, как будет развиваться давление прессования. Давление называют жестким, если оно развивается сразу, внезапно, толчком. Такое давление типично для ударных таблеточных машин. Поверхность таблетки под ударом пуансонов сильно разогревается. При этом механическая энергия переходит в тепловую, вследствие чего частицы способны сплавляться и образуют сплошной цементированный слой.
Давление называют прогрессивным, если оно развивается, нарастает постепенно. Такое давление свойственно ротационным таблеточным машинам.
Давление называют ступенчатым, если применяется несколько жестких последовательных сдавливаний: слабое, более сильное и максимальное. Ступенчатое давление, таким образом, является сочетанием первых двух и встречается у машин промежуточного типа. Прогрессивное давление во всех случаях дает лучшие результаты, поскольку оно обеспечивает более длительное воздействие давления на таблетируемую массу [142]. Поэтому в собственных исследованиях, при использовании гидравлического пресса для прессования таблеток, выбрано прогрессивное давление.
На первом этапе оценивали механическую прочность таблеток на сжатие. Результаты исследований представлены на рис. 20.
Анализ зависимостей показал, что чем выше доброкачественность молочного сахара, тем выше прочность его таблеток. Немаловажное значение имеет также способ получения молочного сахара, что просматривается при сравнении прочности таблеток молочного сахара сырца, полученного способом кристаллизации и на распылительной сушилке.
Зависимость механической прочности таблеток молочного сахара от давления прессования. В диапазоне рабочих давлений кривые механической прочности различных видов молочного сахара имеют один максимум, который называется критическим давлением. При увеличении давления выше критического прочность таблеток уменьшается, а величина критического давления для каждого вида молочного сахара имеет свое значение. Ниже приведены области критического давления (МПа) исследуемых видов молочного сахара, в которых таблетки на их основе имеют максимальную механическую прочность на сжатие: сахар молочный (к.ч.) - 27,0 - 31,0; рафинированный обычный - 11,6 - 19,3; пищевой - 19,3 - 27,0; сырец улучшенный-27,0-35,0; сырец распылительной сушки- 11,6- 19,3.
Максимальная механическая прочность таблеток молочного сахара пищевого (1,2 кг/см2) и сырца улучшенного (1,1 кг/см2) является неудовлетворительной, так как имеет значения ниже 3,5 кг/см . В этом случае для повышения прочности можно увеличить давление прессования или добавить вещества, обладающие большим дипольным моментом, например воду. Однако, повышение давления не всегда является эффективным мероприятием, поскольку способствует износу таблеточных машин [21, 29], а также снижает распадаемость и растворимость таблеток [38, 142]. Кроме того, наблюдения за ходом процесса таблетирования этих видов молочного сахара показали, что при давлениях выше 39,0 МПа происходит расслаивание таблеток. Добавление воды может отрицательно сказаться на сроках хранения таблеток и вызвать дополнительные трудности в технологическом отношении. Поэтому, мы исследовали зависимость механической прочности таблеток от времени выдержки под давлением (рис. 21).
Сравнивая данные максимальной механической прочности таблеток, полученных при давлении прессования 15,4 МПа без выдержки и с выдержкой в течение 25 с, можно сделать вывод, что выдержка под давлением увеличивает прочность таблеток. Так, прочность таблеток (к. ч.) увеличилась в 23 раза; рафинированного обычного - в 6,3 раза; пищевого - в 5.2 раза; сырца высшего сорта - в 3,4 раза; сырца распылительной сушки - в 1.2 раза. В этих экспериментах также прослеживается тенденция изменения прочности таблеток в зависимости от доброкачественности молочного сахара.
Похожие диссертации на Разработка технологии таблетированных продуктов на основе лактозы и ее производных
