Получение пребиотической производной лактозы - лактулозы

Введение

Молочный сахар– лактоза находится в молоке в растворённом состоянии. Лактоза сбраживается молочнокислыми бактериями, кефирными дрожжами, пропионовокислыми бактериями, что используется в производстве творога, сыров, кисломолочных продуктов. В процессе длительного нагревания молока при высокой температуре в результате реакции меланоидообразования происходит накопление темноокрашенных продуктов, имеющих специфический вкус и аромат. Наиболее активно взаимодействие идёт при стерилизации, сгущении и сушке молока, в меньшей степени– при пастеризации.            Из лактозы получают такие вещества как лактулозу, глюкозу, галактозу.             Пребиотиками называют непереваримые  пищевые ингредиенты, которые в неизменном виде достигают толстого кишечника, где избирательно стимулируют рост и жизнедеятельность полезных бифидо– и лактобактерий. Важно подчеркнуть два принципиальных момента: пребиотики – непереваримые (неферментируемые) нутриенты; они избирательно воздействуют на полезную микрофлору.

Пребиотики входят в состав традиционных продуктов питания. Благотворное воздействие пребиотиков на организм доказано многочисленными исследованиями. Среднестатистический европеец ежедневно потребляет до 15г. пребиотиков. Цикорий, артишок, спаржа, бананы, лук-порей, репчатый лук содержат фруктоолигосахариды – самые распространенные в природе пребиотики. Первые в жизни пребиотики человек потребляет с молоком матери, в нем содержатся галактоолигосахариды, стимулирующие развитие защитной микрофлоры младенца.

Лактулоза – своеобразный рафинированный (эталонный) пребиотик, в котором нет ничего лишнего с точки зрения стимулирующего воздействия на молочнокислую микрофлору.

Лактулоза была открыта австрийским  педиатром Петуэли. В 1948 году, выясняя  причину дисбактериоза у детей, вскармливаемых искусственным питанием, он выделил из состава женского молока вещество, активизирующее рост защитной микрофлоры кишечника (бифидо- и лактобактерий) и назвал его лактулозой. Детский врач установил: добавление в детские молочные продукты питания 2% лактулозы существенно и в короткий срок нормализует микрофлору у детей, находящихся на искусственном вскармливании. Последующие исследования выявили ряд других функциональных свойств лактулозы:

– гипохолестеринемическое действие;       – увеличение всасываемости кальция;       – антиканцерогенное действие.

Так же лактулоза стимулирует  общий иммунитет, угнетает рост патогенной микрофлоры, предохраняет от атопических дерматитов, препятствует образованию желчных камней и прочее.       Лактулоза сохраняет свои полезные свойства в широком диапазоне сред и технологических режимов, что открывает практически неограниченные возможности ее использования в производстве функциональных продуктов питания.

Обогащение лактулозой молочных продуктов наиболее логично: произведенная из молочного сахара, лактулоза «возвращается» в молочные продукты, придавая им новые целебные свойства.

Пищевые продукты, обогащенные  лактулозой впервые появились в  Японии в 80-х годах прошлого века. Компания ". С 2000 г. лактулозосодержащие пищевые продукты появились и в России.

Глава 1. Литературный обзор.

Лактулоза – это углевод, который получается в процессе глубокой переработки молока и состоит из галактозы и глюкозы. Лактулоза является изомером (одинаковой по составу, но обладающей другим свойствами) молочного сахара (лактозы), но, в отличие от последнего, не всасывается в кишечнике, так как у человека нет необходимых ферментов для ее расщепления.              Вот уже более 40 лет лактулоза используется в фармацевтике и пищевой промышленности для лечения и профилактики заболеваний желудочно–кишечного тракта. Сегодня без лактулозы нельзя представить терапии дисбактериозов кишечника, заболеваний печени, хронического сальмонеллеза.   Лактулоза представляет собой белое кристаллиическое вещество не имеющее запаха, хорошо растворимое в воде. Является продуктом глубокой переработки молока: производится из молочного сахара лактозы. Лактулоза относится к классу олигосахаридов, подклассу дисахаридов: ее молекула состоит из остатков галактозы и фруктозы.       Лактулоза впервые была синтезирована и описана Хадсоном и Монтгомери в 1929 г. Получили ее при исследовании структуры дисахаридов путем термообработки лактозы щелочным раствором.     В 1948г. Ф.Петуэли и Ж.Кристан выделили из женского молока вещество, активизирующее рост бифидобактерий, и, не зная его строения, определили как бифидус–фактор. Считается, что первые попытки использования лактулозы в медицинской практике относятся к 1951 г., когда бифидус–фактор применили для лечения детей с энтеритами. И только в 1957 г., спустя почти 30 лет после открытия Хадсона и Монтгомери, Ф. Петуэли определил химическое строение бифидус–фактора как углевода из группы дисахаридов и назвал его лактулозой.        Последующие исследования показали, что при вскармливании младенца обычными детскими смесями или молоком, содержание бифидобактерий в фекальной микрофлоре составляло 20%. Однако при добавлении в детские продукты 2% лактулозы питания показатель бифидобактерий возрастал до 90%.             Лактулоза относится к классу веществ пребиотиков, то есть она:   – не расщепляется пищеварительными ферментами в верхних разделах желудочно-кишечного тракта (ЖКТ),        – в неизмененном виде достигает нижних разделов ЖКТ (толстой кишки),              – избирательно стимулирует рост и развитие защитной (полезной) микрофлоры кишечника – бифидобактрий, лактобактерий и проч.   Лактулоза состоит из одной молекулы галактозы и одной молекулы фруктозы, соединенных b–гликозидной связью. Международное непатентуемое название лактулозы– 4–0–?–галактопиранозил–D–фруктоза. Брутто–формула: C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ . Молекулярная масса = 342,3     Лактулоза расщепляется ферментами кишечной микрофлоры (бифидо– и лактобактериями) до органических кислот: молочной кислоты, уксусной кислоты, масляной кислоты и проч.        Многолетние исследования установили, что препараты лактулозы обеспечивают ряд полезных для здоровья факторов:      –жизнедеятельность Bifidobacterium и подавление вредных бактерий  
В исследованиях японских ученых было установлено, что при ежедневном употреблении в течение 2 недель 3г лактулозы, количество бифидобактерий в фекалиях значительно увеличилось, а количество лектиназо-положительных клостридий, включая Clostridium pеrfinges и Bacteroidaceae значительно снизилось. В результате, отношение бифидобактерий к общему количеству бактерий увеличилось с 8,3 % перед употреблением до 47,4 % после.              – подавление токсичных метаболитов и вредных ферментов.  
При употреблении препаратов лактулозы человеком наблюдалось подавление токсичных метаболитов и вредных ферментов. Было установлено, что после употребления препаратов лактулозы значительно снизилось содержание в фекалиях токсичных метаболитов (аммиака, скатола, индола и др.) и вредных ферментов (b–глюкуронидаза, нитроредуктаза, азоредуктаза) или же просматривалась тенденция к уменьшению.       – способствуют абсорбции минералов и укреплению костей.  
Изучалось влияние препаратов лактулозы на твердость костей экспериментальных крыс с удаленными яичниками, подверженных остеопорозу. Свойства, связанные с восстановливаемостью бедра после переломов улучшалось при введении препаратов лактулозы по сравнению с контрольной.    – ингибирование образования вторичных желчных кислот  
Трансформация первичных жирных кислот во вторичные зависит от рН кишечника. В исследованиях наблюдалось подавление вторичных желчных кислот в кишечнике после введения препарата лактулозы здоровым добровольцам.              – ряд сообщений показали наличие антиканцерогенного эффекта в опытах на животных. Данный эффект связан с активизацией иммунной системы клетками бифидобактерий, компонентами клеточных стенок и межклеточными компонентами. Ученые оценили иммунологические свойства и антибактериальные действия лактулозы на пациентах с циррозом печени. Было предположено, что активизировалась межклеточная иммунная система, которая была подавлена во время цирроза печени.       Многочисленные исследования лактулозы доказали ее лечебные и профилактические свойства, что стимулировало внедрение лактулозы как в фармацевтическую так и в пищевую промышленность.

Глава 2. Основные способы  получения пребиотической производной  лактозы– лактулозы.

1. Способ получения сиропа лактулозы.

Способ получения сиропа лактулозы (патент РФ 2092563 МКИ 13/00, 5/00 Заявл. 14.04.95, опубл. 10.10.97), предусматривающий приготовление водного щелочного раствора лактозы, изомеризацию последующей, сгущение изомеризованного раствора, кристаллизацию лактозы и отделение кристаллов лактозы от сиропа лактулозы. Способ предусматривает использование для приготовления водного щелочного раствора лактозы католит, полученный электролизом воды и имеющий pH 10,5–11,5, при этом концентрация лактозы в нем составляет 1–5% и процесс изомеризации проводят при 70–100^oC. 
          Преимуществом способа является исключение расхода химических реагентов, деминерализации раствора, что упрощает и ускоряет процесс. 
           Существенным недостатком прототип является низкая концентрация исходного раствора лактозы–1,5%, обусловленная недостатком щелочных ионов для изомеризации. При растворении в католите с pH 10,5 –11,5 лактозы, обладающей слабокислыми свойствами, происходит нейтрализация щелочных ионов. При увеличении концентрации лактозы до 10% и выше, pH вплоть до нейтральных значений изомеризация не протекает. Низкая концентрация исходного раствора требует в дальнейшем больших энергетических затрат на удаление влаги при сгущении раствора с целью получения сиропа лактулозы. 
               Технический результат предлагаемого способа заключается в значительном (в 2 – 8 раз) снижении энергетических затрат на производство лактулозы. При этом сохраняются все преимущества безреагентного способа: исключение операций внесения катализаторов, деминерализации и др.    Для достижения технического результата предлагается повергать электроактивированию не воду или слабые растворы солей (как в прототипе), а растворы лактозы. В этом случае источником образования щелочных ионов, необходимых для изомеризации, являются молекулы раствора, в том числе микроколичества минеральных компонентов, присутствующих в лактозосодержащем источнике (в том числе в молочном сахаре, молочной сыворотке и др.). Это позволяет довести pH раствора лактозы до 11,5 – 12,5, достичь высоких концентраций щелочных ионов, а следовательно, и степеней изомеризации даже в растворах с высокой концентрацией лактозы (10–40%).    Следует отметить, что простое добавление эквивалентного раствору лактозы количества минеральных солей при получении католита в прототипе не дает таких же конечных результатов изомеризации. Проведенные нами исследования позволяют утверждать, что только электроактивация всей системы "раствор молочного сахара" дает возможность достичь указанного положительного эффекта. 
            Способ получения сиропа лактулозы заключается в следующем. 
Готовят водный раствор лактозы с концентрацией последней 10 – 40% при температуре 70 –100^oC. Горячий раствор подвергают электроактивации в катодном пространстве установки. В анодное пространство помещают водопроводную воду.           В результате экстрагирования pH раствора лактозы, помещенного в катодное пространство установки, изменяется и достигает значения 11,5– 12,5 ед. Это значение pH обеспечивает возможность изомеризации 10–40% растворов молочного сахара, так как в католите накапливаются ионы, играющие роль катализаторов процесса изомеризации лактозы в лактулозу. 
При электроактивировании горячего раствора лактозы, который и используется в качестве католита, протекает реакция изомеризации лактозы в лактулозу и степень ее составляет от 10 до 40%.      Установлено, что при повышении концентрации лактозы выше 40% наблюдается снижение степени изомеризации. Это явление можно объяснить недостатком акцепторов протонов в католите для изомеризации высококонцентрированных растворов лактозы. Нижний предел концентрации раствора лактозы (10%) обусловлен экономической целесообразностью. Так как при электроактивровании слабо концентрированных растворов лактозы резко повышаются энергозатраты на изомеризацию и последующее сгущение раствора. Нижний предел pH (11,5) обусловлен тем, что только при этом значении реакция изомеризации лактозы в лактулозу протекает эффективно, и более низкие значения pH не обеспечивают достаточного количества гидроксид ионов для катализации реакции изомеризации. Установлено, что величина pH раствора лактозы в катодном пространстве выше, чем 12,5 ед. требует высоких затрат электроэнергии и не приводит к существенному повышению степени изомеризации лактозы в лактулозу. Изомеризованный раствор сгущают, охлаждают до 10–15^oC и проводят процесс кристаллизации непрорегаировавшей лактозы. Для ускорения процесса кристаллизации может быть внесена кристаллическая затравка. Полученную кристалломассу центрифугируют для отделения кристаллов лактозы от сиропа лактулозы. При необходимости процесс кристаллизации и выделения лактозы повторяют.    В результате получают сироп, содержащий в основном лактулозу, а также лактозу, незначительное количество галактозы и зольного остатка. Выделенная кристаллическая лактоза может быть использована как исходное сырье, что обеспечивает безотходность технологии. 

2. Изомеризация лактозы в лактулозу в присутствии реагента катализатора.

2.1.Применение гидроксидов.         Лактулоза была впервые получена американскими химиками Montgomery Е. и Hudson С. в 1929 г. при нагревании известковых растворов лактозы до 35 в течение нескольких суток. Для выделения чистой кристаллической лактулозы была использована многоэтапная очистка с применением целого ряда реагентов: серной кислоты, карбоната кальция, этилового и метилового спирта, эфира, активированного угля и брома.

Способ изомеризации лактозы  с гидроксидом кальция был  усовершенствован в патенте. В этом случае были использованы 60%–ные растворы лактозы, оксид кальция в количестве 0,1% и высокотемпературный режим изомеризации– выдержка смеси при 100–102 °С

в течение 15 мин. Очистка  раствора дополнена электродиализной и ионообменной обработкой.          Согласно технологии, разработанной О.Н. Яковлевой, процесс получения углеводного препарата, содержащего лактулозу, включает следующие операции: приготовление известковой воды; приготовление и фильтрация известкового раствора лактозы; нагревание раствора лактозы до 35 °С и термостатирование в течение 36 ч; очистка катионитом и анионитом охлажденной смеси, сгущение смеси, кристаллизация и отделение лактозы, сушка

сиропа лакто–лактулозы с белковыми и углеводными наполнителями.

Описанные способы являются сложными, длительными и очень  трудоемкими, требуют больших материальных и энергетических затрат.

В описании патента  приведены данные об исследовании влияния различных катализаторов (Са(ОН)2, NaOH, CaO, Na2C03, КОН, К2НР04 , Ва(ОН)2) на количество галактозы как побочного продукта распада дисахаров. На основании экспериментальных данных авторы сделали следующие выводы:

–независимо от количества NaOH существует прямая зависимость между отношением содержания галактозы (Сга) к содержанию лактулозы (Сдл) и степенью изомеризации, причем величина этого отношения резко возрастает при степени изомеризации выше 21,4%;

– отношение Сп/Ст остается постоянным при постоянном отношении концентрации NaOH к концентрации лактозы независимо от длительности и температуры нагревания.

Эти выводы стали основой  разработки промышленного способа  получения лактулозы. Для удаления катализатора и осветления раствора после изомеризации применяют катионообменные и анионообменные смолы. Кристаллизацию лактозы проводят в три этапа.

Готовый сироп содержит 60–70% сухих веществ, в том числе 42–48% лактулозы. В вышеописанном способе, который долгое время оставался наиболее распространенным, достигнут определенный прогресс в плане сокращения длительности и энергоемкости технологического цикла, однако он все равно является трудоемким и высокозатратным.

По способу  раствор молочного сахара с содержанием лактозы 15–20% очищают от различных несахаров, фильтруют и смешивают с 0,35–0,45% щелочи из расчета доведения рН раствора до 11,0. Раствор выдерживают при температуре 68–72 °С в течение 15–20 мин при постоянном перемешивании до достижения рН значений 8,8–9,0; затем нейтрализуют органической кислотой, доводя рН до 5,5–6,5. При использовании лимонной кислоты она

вносится в виде насыщенного раствора в количестве 0,115–0,125%. Подкисление проводят в целях предотвращения автокаталитического распада лактулозы и частичного удаления кальция в виде малорастворимых солей. Технологическая схема производства сиропа лакто–лактулозы, разработанная на основе этого изобретения во ВНИИМС, включает процессы приготовления и рафинации раствора молочного сахара–сырца, изомеризацию лактозы

в присутствии гидроксида кальция, сгущение раствора, кристаллизацию и выделение лактозы, расфасовку, упаковку и маркировку.      К недостаткам способа относится недостаточно высокое качество готового продукта: темно-коричневый цвет, высокая зольность, появление

плесени на поверхности сиропа при хранении.

Совершенствование схемы позволяет улучшить качество готового продукта за счет центробежной очистки раствора молочного сахара-сырца от взвешенного осадка несахаров и проведения рафинации после изомеризации, однако не исключает проблем осветления и деминерализации продукта полностью.

2.2 Применение сульфитов  и фосфитов.

Редуцирующая способность  сульфитов и фосфитов предохраняет ди-

сахариды от окисления  и позволяет проводить процесс  при высоких температурах и концентрациях лактозы.

Согласно австрийскому патенту, для производства концентрата лактулозы используются растворы лактозы высокой концентрации 60–65%–ные. В горячий раствор при 80–100 °С вносятся щелочные или щелочноземельные сульфиты в количестве 0,05–0,5 моль на 1 кг моногидрата лактозы, после чего смесь выдерживается до постоянного значения оптического вращения раствора. После охлаждения и отделения выкристаллизовавшейся лактозы фильтрат подвергают ионообменной обработке для удаления сульфитов и органических кислот. Затем раствор сгущают и повторно выкристаллизовывают лактозу. Для ускорения процесса кристаллизации используется внесение затравки. В полученном сиропе содержится около 65,5% сухих веществ, 38,7% лактулозы, 8,2% галактозы, 3,8% лактозы и 3,8% смеси

неидентифицированных сахаров.

Другой способ получения лактулозы предусматривает добавление в водный насыщенный кипящий раствор моногидрата лактозы щелочного фосфита в количестве от 2,1 до 8,6% от веса лактозы, после чего раствор кипятится при 104 "С в течение 20–240 мин. Максимальная степень превращения лактозы в лактулозу составляет около 20%. Затем раствор охлаждается до комнатной температуры, при которой проводится кристаллизация непрореагировавшей лактозы. Лактоза удаляется фильтрацией, а фильтрат разбавляют до 15%–ного содержания сахаров и пропускают через катионообменную и анионообменную смолу для удаления фосфита и образовавшихся органических кислот.            Авторы изобретения считают, что наиболее подходящими для этих целей являются сильнокислотные сульфоновые катиониты и низкоосновные полистироловые аниониты. Полученный элюат концентрируется охлаждается, лактоза повторно выкристаллизовывается и отделяется. Для более глубокой очистки предлагается пропустить раствор через кремнеземную гелевую колонку, где отделяются тагатоза и галактоза.