Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

MECHANOCHEMICAL OBTAINING WATERSOLUBLE COMPOSITIONS BASED ON FLAVONOIDS

Suntsova L.P. 1 Meteleva E.S. 1 Dushkin A.V. 1
1 Institute of Solid State chemistry and Mechanochemistry SB RAS
Solid dispersion of poorly soluble bioflavonoids – genistein, dihydroquercetin, routine – with carbonates of metals and natural polysaccharide arabinogalactan were obtained mechanochemically. The physico-chemical properties of the resulting solid dispersions were studied, too. It was shown by electron microscopy that the mechanical treatment reduces the size of the particles of the initial components and promoted the formation of their composite aggregates. Obtained thermograms and X-ray analysis show a partial loss of crystallinity of the solid phase of flavonoids, which accelerates transfer of flavonoids in the dissolved state. The obtained solid dispersion have increased (up to 10–100 times) the solubility of flavonoids. However, increasing the water solubility due to the acidic properties of bioflavonoids is much higher than compared with the formation of intermolecular complexes with AG. The results open opportunities for developement of new medicines and nutrients with enhanced efficiency.
flavonoids
genistein
dihydroquercetin
taxifolin
rutin
mechanochemistry
solid dispersions
arabinogalactan
water soluble salts
1. Dushkin A.V., Guskov S.A., Tikhonov V.P., Kolesnik Yu.A., Rodina I.A., Belyankina E.Yu., Shevchenko T.V. Kompozitsiya, obladayuschaya kapillyaroprotektivnoy aktivnostyu na osnove digidrokvertsetina, i sposob ee polucheniya. Russia patent 2451517. 2012.
2. Dushkin A.V., Meteleva E.S., Tikhonov V.P., Babkin V.A., Kolesnik Yu.A., Rodina I.A., Belyankina E.Yu., Shevchen ko T.V. Kompozitsiya s povyshennoy farmakologicheskoy aktivnostyu na osnove digidrokvercetina i rastitelnykh polisakharidov (varianty). Russia patent 2421215.2011.
3. Dushkin A.V., Suntsova L.P., Khalikov S.S. Fundamentalnye issledovaniya, 2013, no. 1, pp. 448–457.
4. Kabiev O.K., Balmukhanov S.B., Prirodnye fenoly – perspektivnyy klass protivoopukholevykh i radiopotentsiiruyuschikh soedineniy [Natural phenols – a promising class of anticancer and radiopotentiation compounds]. Moscow, Meditsina, 1975. 188 p.
5. Korulkin D.Yu., Abilov Zh.A., Muzychkina R.A., Tolstikov G.A. Prirodnye flavonoidy [Natural flavonoids]. Novosibirsk, Akademicheskoe izd-vo «Geo», 2007. 232 p.
6. Medvedeva E.N., Babkin V.A., Makarenko O.A., Nikolaev S.M., Khobrakova V.B., Shulunova A.M., Fedorova T.E., Eskova L.A. Khimiya rast. syrya, 2004, no. 4, 17p.
7. Polyakov N.E., Sydykov B.S., Lyoshina T.V., Mete leva E.S., Dushkin A.V. Struktura i dinamika molekulyarnykh sistem, 2007, no. 1, pp. 507–512.
8. Dushkin A.V., Tolstikova T.G., Khvostov M.V., Tolstikov G.A., The Complex World of Polysaccharides, 2012, DOI: 10.5772/48182. pp. 573–602.

Флавоноиды относятся к числу широко распространенных растительных метаболитов, для которых характерно структурное многообразие, высокая разносторонняя биологическая активность и малая токсичность. Направление биологического действия флавоноидов связано с физико-химическими свойствами многообразия их структур [4, 5]. Большое значение придается противовоспалительному действию флавоноидов, с которым, вероятно, связано их противоязвенное, ранозаживляющее и жаропонижающее действие.

Существенным недостатком флавоноидов, снижающим эффективность препаратов на их основе, является их низкая водорастворимость, таким образом, представляет интерес разработка новых лекарственных средств и БАД, обладающих повышенной растворимостью флавоноидов [3, 1, 2].

Целью настоящей работы являлось механохимическое получение и исследование свойств фармацевтических твердых дисперсий/композиций на основе флавоноидов генистеина, дигидрокверцетина, рутина, обладающих повышенной водорастворимостью.

В полученных твердых дисперсиях увеличение растворимости достигалось за счет ионизации молекул флавоноидов, имеющих полифенольную (кислотную) природу, а также путем образования водорастворимых комплексов включения с полисахаридом арабиногалактаном (АГ) по типу «гость-хозяин».

Материалы и методы исследования

Для работы выбраны следующие флавоноиды и вспомогательные вещества:

1. Генистеин – 5,7-дигидрокси-3-(4-гид­рок­си­фе­нил)хромен-4-он, субстанция флавоноида генистеина. Брутто-формула C15H10O5. Получен от Sigma-Aldrich.

2. Дигидрокверцетин (ДГК) – 3,3’,4,5,7-пентагидроксифлавон, субстанция флавоноида дигидрокверцетина, производство ООО ИНПФ «Химия древесины» (Иркутск); серия 9022007. Брутто-формула С15Н12О7.

3. Рутин – 2-(3,4-дигидроксифенил)-5,7-ди­гид­рокси-3-[α-L-рамнопиранозил-(1→6)-β-D-глю­копиранозилокси]-4H-хромен-4-он, субстанция флавоноида рутина, производство Мерк С.А. (Бразилия); серия ММ09-9020. Брутто-формула C27H30O16.

Структурные формулы флавоноидов приве дены ниже.

pic_42.tif pic_43.tif pic_44.tif

4. Полисахарид арабиногалактан (Фибролар С) из древесины лиственниц сибирской и Гмелина – аморфный порошок светло-кремового цвета, производство ООО «Химия древесины» (Иркутск), полученный по методу, описанному в работе [6], ТУ 9363-021-39094141-08; серия 02042013. Молекулярная масса – 17,3 кДа [8].

5. Субстанции основного карбоната магния (ФСП 42-3989-08) и осажденного карбоната кальция фармакопейной чистоты (ФСП 42-0550-7545-06).

Механическая обработка. Композиции флавоноидов со вспомогательными веществами получали путем механической обработки смесей порошков на ротационной шаровой мельнице ВМ-1 в течение 4 часов. Объем барабана 300 мл, 15 стальных шаров d = 22 мм и m = 44,3 г, загрузка сырья 20 г, ускорение мелющих тел 1g, скорость вращения барабана 157 об/мин. Образцы представляют собой тонко измельченные порошки с характерной для каждого флавоноида окраской.

Определение растворимости флавоноидов. Полученные порошкообразные композиции растворялись в 5 мл дистиллированной воды при +25 °С при перемешивании 150 об/мин в течение 30 мин. Навеска образца соответствовала массе, необходимой для достижения расчетной концентрации флавоноида 10 г/л. Затем надосадочную жидкость центрифугировали и фильтровали через бумажный фильтр до получения прозрачного раствора. Отобранную аликвоту 1 см3 разбавляли дистиллированной водой до 25 см3. Концентрацию флавоноидов определяли методом ВЭЖХ относительно их специально приготовленных стандартных спиртовых растворов. Анализ ВЭЖХ проводили на хроматографе Agilent 1200 с колонкой Zorbax Eclipse XDB-C18, 4,6×150 мм. Температура колонки – 30 °С; диодно-матричный УФ-детектор. В качестве элюента использовалась система ацетатный буфер – ацетонитрил (соотношение 55:45 для генистеина, 70:30 для дигидрокверцетина, 80:20 для рутина). Детектирование проводилось в диапазоне длин волн 260–291 нм.

Рентгенофазовый и термический анализ. Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов выполняли на дифрактометре ДРОН-3 с использованием CuKα-излучения, скорость вращения счетчика 2 град/мин, I = 1000.

Термический анализ проводили методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) с помощью прибора DSC-550 (Instrument Specialists Inc.) в атмосфере аргона. Температурная программа: + 20 – + 250°С, скорость нагрева 10°С/мин.

Результаты исследования и их обсуждение

Твердые дисперсии флавоноидов, включающие карбонаты кальция и магния.

На рис. 1 представлены электронные микрофотографии порошков флавоноидов и их композиций с основным карбонатом магния, механическая обработка композиций – 4 часа.

Из полученных микрофотографий следует, что при механической обработке происходит измельчение частиц исходных компонентов и образование их композитных агрегатов, что согласно ранее проведенным исследованиям [3] способствует быстрому взаимодействию компонентов при гидратации.

Результаты РФА и ДСК приведены на рис. 2. Во всех случаях в необработанных смесях присутствуют характерные для кристаллических фаз флавоноидов рефлексы рентгенограмм и фазовый переход плавления. В механохимически обработанных смесях происходит уменьшение теплот плавления и интенсивностей рефлексов РФА, этот эффект позволяет предположить, что в результате механической обработки происходит частичная потеря кристалличности твердых фаз флавоноидов.

Изменение фазового состояния флавоноидов в результате механической обработки также способствует ускорению перевода флавоноидов в растворенное состояние.

При растворении в воде твердых дисперсий с карбонатами металлов наблюдается значительное повышение растворимости флавоноидов по сравнению с насыщенными растворами субстанций флавоноидов (табл. 1). Это связано с тем, что исследуемые флавоноиды являются полифенольными соединениями, обладающими кислотными свойствами. Однако они, как правило, не образуют твердых фаз солей с ионами металлов, следовательно, невозможно их выделение и использование в виде индивидуальных биоактивных веществ. Тем не менее в щелочных диапазонах рН молекулы флавоноидов способны к ионизации, а ионизованная форма, как правило, имеет более высокую водорастворимость. Таким образом, смещая равновесие в сторону ионизованных молекул путем использования субстанций карбонатов кальция и магния, мы повышаем общую концентрацию флавоноидов в растворе [3].

ФЛ-ОН + ОН– ↔ ФЛ-О– + Н2О.

pic_45.tif pic_48.tif pic_46.tif

а б в

pic_49.tif pic_47.tif pic_50.tif

г д е

Рис. 1. Микрофотографии порошков генистеина (а), рутина (б), ДГК (в) и твердых дисперсий состава: генистеин – магния карбонат (2:1) (г), рутин – магния карбонат (3:1) (д), ДГК – магния карбонат (2:1) (е)

Таблица 1

Показатели растворимости флавоноидов из их механохимически полученных твердых дисперсий с карбонатами кальция и магния

Вещество/композиция (массовые отношения)

Растворимость флавоноида, г/л

Увеличение растворимости, разы

рН раствора композиции

Рутин

0,065

 

 

Рутин + MgCO3 (осн.) (3:1)

2,2

33,8

8,4

Рутин + СаCO3 (3:2)

0,53

8,2

8,0

Дигидрокверцетин (ДГК)

1,47

 

 

ДГК + MgCO3 (осн.) (2:1)

22,5

15,3

7,5

ДГК + MgCO3 (осн.) (1:1)

17,8

12,1

7,7

ДГК + MgCO3 (осн.) (1:2)

16,3

11,1

7,6

ДГК + СаCO3 (2:1)

4,5

3,1

7,1

ДГК + СаCO3 (1:1)

5,0

3,4

7,0

ДГК + СаCO3 (1:2)

6,0

4,1

7,3

Генистеин

0,008

 

 

Генистеин + MgCO3 (осн.) (2:1)

0,81

101,3

9,1

Генистеин + MgCO3 (осн.) (1:1)

0,69

86,3

9,2

 

pic_51.tif pic_53.tif

а б

pic_55.tif pic_52.tif

в г

pic_54.tif pic_56.tif

д е

pic_60.tif pic_61.tif

Рис. 2. Рентгенограммы (а, б, в) и термограммы ДСК (г, д, е) исходных флавоноидов (1): генистеина (а, г), рутина (б, д), дигидрокверцетина (в, е); MgCO3 (2), а также смеси флавоноидов и MgCO3 до (3) и после (4) механической обработки в течение 4 часов в шаровой валковой мельнице. Состав смесей: генистеин – MgCO3 (2:1), рутин – MgCO3 (3:1), дигидрокверцетин – MgCO3 (2:1)

Как видно из данных табл. 1, увеличение растворимости зависит от природы карбоната металла – более щелочной карбонат магния является более эффективным. Также растворимость зависит от соотношения флавоноида с карбонатом в композиции, но менее, чем от природы карбоната.

Твердые дисперсии флавоноидов, включающие полисахарид арабиногалактан

Для получения комплексов включения в качестве комплексообразователя использовался АГ – полисахаридный метаболит древесины лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина. Макромолекула АГ имеет высоко разветвленное строение. Эта особенность, по нашему мнению, способствует образованию прочных межмолекулярных комплексов действующих веществ, молекулы которых вероятнее всего, могут связываться межмолекулярными водородными связями в пространстве, образованном боковыми цепями [7].

На рис. 3 представлены электронные микрофотографии порошков композиций флавоноидов с АГ, механическая обработка композиций – 4 часа.

а б в

Рис. 3. Микрофотографии порошков твердых дисперсий состава: генистеин – АГ (1:10) (а), рутин – АГ (1:10) (б), ДГК – АГ (1:10) (в)

Результаты РФА и ДСК приведены на рис. 4. В образцах состава флавоноид-АГ невозможно достоверно выделить пик, соответствующий плавлению флавоноида, вероятно, вследствие термического разложения АГ.

pic_57.tif pic_58.tif pic_59.tif

 

а б

Рис. 4. Рентгенограммы (а) и термограммы ДСК (б) исходного ДГК (1), АГ (2), а также смеси ДГК и АГ (1:10) до (3) и после (4) механической обработки в течение 4 часов в шаровой валковой мельнице

В результате механической обработки флавоноидов с АГ, наряду с нарушением кристаллической структуры флавоноидов, вероятно, происходило диспергирование их молекул в матрицу водорастворимого полисахарида, что также способствовало их ускоренному высвобождению в раствор и образованию межмолекулярных комплексов при гидратации. Данные по изменению растворимости флавоноидов из смесей с АГ приведены в табл. 2. Во всех исследованных случаях имеет место повышение растворимости флавоноидов, которое, однако, меньше значений, приведенных в табл. 1.

Таблица 2

Показатели растворимости флавоноидов из их механохимически полученных твердых дисперсий с арабиногалактаном

Вещество/композиция (массовое отношение)

Растворимость вещества/композиции, г/л

Увеличение растворимости в n раз

Рутин

0,065

 

Рутин + АГ (1:10)

0,07

1,1

Рутин + АГ (1:20)

0,09

1,4

Дигидрокверцетин (ДГК)

1,47

 

ДГК + АГ (1:10)

> 4,16

2,2−2,8

ДГК + АГ (1:20)

> 4,01

Генистеин

0,008

 

Генистеин + АГ (1:10)

0,074

9,3

 

Выводы

Рассмотрены получение и свойства твердых дисперсий флавоноидов и вспомогательных веществ, способствующих повышению их водорастворимости. Проведенные исследования образцов продемонстрировали во всех случаях значительное (до ~ 10–100 раз) увеличение растворимости флавоноидов в механохимически полученных образцах по сравнению с растворимостью исходных субстанций флавоноидов. Показано, что повышение водорастворимости за счет кислотных свойств биофлавоноидов значительно превышает аналогичные показатели по сравнению с образованием межмолекулярных комплексов с АГ.

Полученные результаты открывают перспективы создания лекарственных средств и биологически активных добавок повышенной эффективности.

Работа выполнена при поддержке проекта V.48.1. программы фундаментальных исследований государственных академий наук.


Рецензенты:

Поляков Н.Э., д.х.н., вед. научн. сотрудник Института химической кинетики и горения СО РАН, г. Новосибирск;

Толстикова Т.Г., д.б.н., профессор, заведующая лабораторией фармакологических исследований Новосибирского института органической химии СО РАН, г. Новосибирск.

Работа поступила в редакцию 18.11.2014.