книги / Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами

избежание обратного связывания с мембранами «смытых» микропо­ токами макромолекул клетки после ультразвуковой обработки следу­ ет немедленно отделить от среды.

Выбор оптимального режима ультразвуковой обработки эритроцитов с целью снижения их антигенной активности при сохранении целостности клеток и их основных свойств требует учета целого ряда обстоятельств.

Энергия микропотоков и, следовательно, эффективность снижения антигенной активности эритроцитов увеличиваются с возрастанием интенсивности ультразвука (рис. 5.12), но при этом не должен быть превышен порог кавитации, разрушающей клетки в суспензии. Порог кавитации можно повысить, увеличивая концентрацию клеток, но это ведет к уменьшению расстояния между клетками, и «смытые» с их по­ верхности антигены после выключения ультразвука быстро сорбиру­ ются на поверхности близлежащих клеток. Эффективность ультразву­ ковой обработки зависит и от частоты ультразвука. При низких часто­ тах понижается порог кавитации и увеличивается вероятность гемолиза, при частотах, превышающих 1 МГц, повышается порог кави­ тации, но уменьшается эффективность десорбции антигенов.

Параллельно с процессом десорбции антигенных детерминантов с поверхности эритроцитов в ультразвуковом поле протекает и обрат­ ный процесс - сорбция антигенов клетками, а ультразвук лишь сдви­ гает равновесие в сторону десорбции. Поэтому только с помощью ультразвука не удается полностью удалить антигенные детерминанты с поверхности клеток.

Максимальное и весьма существенное снижение антигенной актив­ ности эритроцитов в суспензии с концентрацией клеток 106...109 кл./мл обеспечивается ультразвуком с частотой 0,88 МГц, интенсивностью 0,4 Вт/см2 в импульсном режиме. Длительность импульсов - 4 мкс, час­

Полученный эффект, очевидно, обусловлен интенсификацией пропитки кожевой ткани реагентами, ускорением химических реак­ ций в ультразвуковом поле (см, § 1.9), повышением скорости удале­ ния из кожевой ткани продуктов реакции, а также механическим воз­ действием ударных волн и кавитационных микропотоков на структу­ ру ткани. В результате такой обработки из отходов кожи практически полностью удаляются различные консерванты и дубители. Получен­ ная таким способом сухая измельченная кормовая добавка содержит 70% белка и 17% жира. Содержание перевариваемого протеина со­ ставляет 420 г/кг.

Аналогичным способом можно готовить грубые корма из соломы. Обычно солому заливают на 8...14 ч раствором щелочи, что обеспечи­ вает ее размягчение и насыщение влагой. Обработка измельченной со­ ломы в растворе щелочи мощным низкочастотным ультразвуком в те­ чение трех минут резко сокращает время приготовления корма, в 3 -4 раза уменьшает расход щелочи, а также значительно повышает перевариваемость и питательность корма.

Успешно применяют ультразвук и для повышения эффективности производства рыбной кормовой муки. Обычно образующиеся в процес­ се прессования при производстве рыбной муки бульоны содержат зна­ чительное количество белков и липидов. Так, в бульоне, образовавшем­ ся при переработке 30 т сырья, содержится около 1,5 т белка и 0,5 т жи­ ра. Этот подпрессовый бульон можно упарить, а образовавшийся концентрат использовать для обогащения кормовой муки. Однако со­ леные бульоны практически не пригодны для упаривания, так как при этом в конечный продукт попадает большое количество соли. Кроме то­ го, метод упаривания весьма энергоемок. Для отделения белка и жира от жидкой среды можно использовать методы электрофлотации и элек­ трокоагуляции, но оба эти метода требуют затраты большого количест­ ва энергии на единицу готовой продукции, в которую к тому же неред­ ко попадает металл электродов в виде загрязняющих примесей. Этих недостатков лишен ультразвуковой метод коагуляции белков в под­ прессовых бульонах. После десятиминутной обработки мощным низ­ кочастотным ультразвуком в бульоне, выдерживаемом при 95 'С, обра­ зуются хлопья, которые быстро осаждаются. Их легко отделяют с помо­ щью сепаратора и высушивают одним их обычных способов. Применение ультразвука позволяет без существенных дополнительных затрат на 8...10 % увеличить общий выход рыбной муки - ценной кор­ мовой добавки в рацион сельскохозяйственных животных.

Следует отметить, что в рыбной муке обычно содержится значи­ тельное количество жира, который, окисляясь при хранении продук­ та, снижает его качество. Однако, есл и к жому после прессования до­ бавить воду в соотношении 1:4, смесь в течение 10.Л5 мин обработать мощным ультразвуком с частотой 18...22 кГц, а затем вновь подверг­

нуть прессованию, то содержание жира в жоме и в конечном продукте снижается с 13 до 8 %, что существенно повышает качество рыбной муки. Отделенный при этом рыбий жир также представляет собой ценную кормовую добавку.

В качестве эффективных добавок к корму, содержащих биологи­ чески активные вещества, нередко используют одноклеточные водо­ росли и кормовые дрожжи, выращенные на дешевом природном сы­ рье: измельченных отходах древесины, тростнике, кукурузных коче­ рыжках, лузге подсолнечника, оболочках гречихи и проса, отходах сахарного производства.

Используют дрожжи в виде белково-витаминно-минеральных до­ бавок в рационы крупного рогатого скота, сельскохозяйственной пти­ цы, пушных зверей. Солому и другие малоценные корма подвергают дрожжеванию, добавляя в корм дрожжи и создавая условия для их развития. Питательность грубых кормов в результате их обогащения белком, витаминами, органическими кислотами и ферментами значи­ тельно повышается.

Достаточно длительный процесс дрожжевания можно существенно ускорить, стимулируя рост и развитие клеток ультразвуком. Ультразву­ ковое воздействие в течение нескольких минут повышает интенсив­ ность брожения, улучшает качество готового продукта, снижает расход дрожжей. Разрушенные мощным ультразвуком клетки сами по себе яв­ ляются хорошим стимулятором развития дрожжей. Этот эффект свя­ зывают с так называемым «мортальным фактором», возникающим при разрушении клеток, стимулирующим рост и развитие остальных, ос­ тавшихся целыми клеток. Основываясь на этих представлениях, для ускорения процессов дрожжевания четвертую часть исходной суспен­ зии подвергают мощному ультразвуковому воздействию, приводящему к разрушению клеток, а затем смешивают полученный продукт с остав­ шимися тремя четвертями суспензии.

Ценным источником белка и биологически активных веществ, не­ обходимых для рационального кормления, могут служить однокле­ точные водоросли, например хлорелла. Однако гемицеллюлоза, со­ ставляющая их оболочку, плохо разрушается в желудочно-кишечном тракте сельскохозяйственных животных, что существенно снижает их кормовую ценность. Кратковременное воздействие ультразвуком не­ разрушающих интенсивностей (10 кГц; 2 кВт) на хлореллу в суспен­ зии с объемной концентрацией клеток от 10 до 25 % стимулирует в по­ следующие несколько часов синтез ими биогенных стимуляторов. Скорость синтеза увеличивается, если суспензию клеток после ульт­ развуковой стимуляции выдерживать в темноте при температуре 3...7 вС. После этого клетки в суспензии разрушают, используя мощ­ ный ультразвук или СВЧ-поле.

Полученная таким образом жидкая масса - «зеленое молоко» - мо­ жет быть использована как в свежем, так и в консервированном виде. Для длительного хранения массу сушат и включают в состав порошко­ вых гранулированных концентратов или прессованных кормосмесей.

Скармливание «зеленого молока» молодняку сельскохозяйствен­ ных животных, в том числе и птице, резко снижает их падеж и в сред­ нем на 17 % увеличивает привесы. Животные с удовольствием поеда­ ют «зеленое молоко» и корма, подвергшиеся дрожжеванию. Клетки дрожжей и одноклеточных водорослей богаты полноценными белка­ ми, необходимыми живому организму солями калия, кальция и фос­ фора, а также витаминами. По составу дрожжи и одноклеточные очень близки к кормам животного происхождения, а по питательно­ сти и содержанию витаминов лишь немного уступают рыбной муке.

Для приготовления кормовых добавок из растительного сырья, для дрожжевания кормов и разрушения клеток хлореллы не требуется спе­ циального ультразвукового технологического оборудования. Для этой цели успешно используются давно разработанные и выпускаемые про­ мышленностью ультразвуковые ванны различного объема.

Список литературы

1.Абрамов 0 3 ., Акопян В.Б., Зиммелис И З . и др. Ультразвуковая предпосевная обработка семян ячменя / / Вестник с.-х. науки. 1991. № 1.

2.Абрамов 0 3 ., Акопян В.Б., Рыхлецкая О.С. и др. Всхожесть и уро­ жайность томатов в зависимости от обработки семян ультразвуком и парааминобензойной кислотой / / Доклады ВАСХНИЛ. 1987. № 8.

3.Акопян В.Б. Физические основы ультразвуковой криобиоло­ гии / / Доклады III национальной школы по криобиологии и лиофилизации. Смолян (Болгария), 1987.

4.Акопян В.Б., Аленичев В.Н., ГавриловВ.К., Рухман А.А. Ультразву­ ковая интенсификация процессов фильтрования / / Ультразвуковые технологические процессы-2000. Архангельск, 2000.

5.Борисов Ю.А., Гынкина Н.М. Акустическая сушка / / Физические основы ультразвуковой технологии. М.: МАДИ, 1970.

6.Деблок И., Лефевр Ф., Нотайар. Б. и др. Вязкоупругие характе­ ристики сахарного сиропа / / Пищевая промышленность. 2003. № 12.

7.Долганова Н.В. Интенсификация биотехнологических процес­ сов комплексного использования сточных вод рыбообрабатывающих предприятий. Астрахань, АГТУ, 1991.

8.Казанцев В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок. М.: Машиностроение, 1980.

9.Применение ультразвука в промышленности / Под ред. А.И. Маркова. М.: Машиностроение, 1975.

10.Разработка и внедрение высокоэффективного ресурсосбере­ гающего оборудования и новых видов пищевых продуктов в пищевой

иперерабатывающей отраслях АПК. Киев: Изд-во технол. ин-та пищ-й пром., 1991.

11.Рогов ИА., Горбатов А.В. Физические методы обработки пище­ вых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974.

12.Сенченков И.К. Модальная классификация и проектирование сонотродов для ультразвуковой обработки материалов / / Акустиче­ ский вестник. 1998. № 4.

13.Сенченков И.К., Нестеренко Н.П., Козлов В.И. Ультразвуковая сварка - ресурсосберегающий и экологически чистый способ соедине­ ния пластмасс / / Экотехнологии и ресурсосбережение. 1999. № 1.

14.Сарвазян А Л ., Сельков Е.Е., Чаликян Т.В. Акустический интер­ ферометр постоянной длины с переходными слоями для прецизион­ ных измерений в малых объемах жидкостей / / Акустический журнал. 1988. № 6.

15.Фихте Б.А., Гуревич ГА. Ультразвуковая дезинтеграция микро­ организмов / / Пущино: НЦБИ АН СССР, 1984.

16.Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуко­ вые аппараты и их применение в условиях малых производств, сель­ ском и домашнем хозяйстве. Барнаул: АлтГТУ, 1997.

17.Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. Л.: Машиностроение, 1988.

18.Янсон ХА ., Д зет е В.В., Татаринов А.М. Ультразвуковое иссле­ дование трубчатых костей. Рига: Зинатне, 1990.

УЛЬТРАЗВУК В ФАРМАЦИИ

Интенсивное перемешивание жидкостей в ультразвуковом поле, обуслов­ ленное акустическими течениями и микропотоками с большими градиентами скоростей, способность ультразвука дробить с помощьюударных волн взвешен­ ные в жидкой среде твердые частицы и капли нерастворяющихся в ней жидко­ стей на мельчайшие фрагменты делают ультразвуковые методы незаменимы­ ми и весьма перспективнымив производствелекарств. Растворение, диспергиро­ вание и эмульгирование, экстрагирование и осветление, суспендирование и сушка могут быть значительно ускорены и облегчены при заводском и аптечном изго­ товленииряда лекарственныхпрепаратов и некоторыхлекарственных форм.

6.1.ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЛЕКАРСТВ

Растворение - самый распространенный процесс при изготовле­ нии лекарств. Он прост и не требует больших усилий для приготовле­ ния растворов легкорастворимых веществ, но для веществ с понижен­ ной растворимостью оказывается длительным и трудоемким. Среди многих методов ускорения процесса растворения ультразвуковые за­ нимают особое место.

Скорость растворения тем выше, чем ниже концентрация раство­ ряемого вещества в растворе. Обычно при отсутствии потоков в жид­ кости у поверхности растворяемого тела устанавливается градиент концентрации. Чем ближе к поверхности, тем выше концентрация и тем медленнее переход новых частиц с поверхности в раствор.

Перемешивание обычными способами ускоряет растворение. Но только ультразвуковые микропотоки способны интенсивно переме­ шивать тонкие слои жидкости у самой поверхности.

Скорость растворения под действием ультразвука увеличивается еще и в результате кавитационной эрозии и дробления твердых час­ тиц. Это значительно увеличивает поверхность контакта между рас­ творителем и растворяемым веществом.

Скорость растворения существенно зависит от интенсивности ультразвука. При низких интенсивностях эффект пренебрежимо мал и резко возрастает при интенсивностях, превышающих порог кавита-

ции. Если раствор далек от насыщения, то при постоянной интенсив­ ности ультразвука количество растворенного в единицу времени ве­ щества практически пропорционально времени воздействия.

Скорость растворения в ультразвуковом поле во многом зависит от растворимости вещества (табл. 6.1). Чем хуже растворяется веще­ ство в данном растворителе, тем меньше эффективность ультразвуко­ вого воздействия. Но даже если речь идет о малорастворимых вещест­ вах, процесс ускоряется в 2 -3 раза. Уменьшается в 5-30 раз и время достижения концентрации насыщения. Это позволяет готовить силь­ но концентрированные растворы веществ, медленно и мало раствори­ мых в обычных условиях.

Следует, однако, отметить, что концентрация насыщенных вод­ ных растворов некоторых веществ, например глюконата кальция и ря­ да карбонатов, снижается в результате ультразвукового воздействия. Этот эффект слабо изучен и не получил убедительного обоснования. Можно предположить, что данное явление связано с конкуренцией диспергирования и коагуляции.

В состав многих лекарственных препаратов в том или ином коли­ честве входят вещества, извлекаемые из растительного или животного сырья. В основе технологии извлечения лекарственных, веществ из тканей животных и растений лежит экстрагирование, малоэффектив­ ный и длительный процесс.

Низкочастотный ультразвук (22...44 кГц) в десятки и сотни раз со­ кращает время экстракции, например, флавоноидов, феногликозидов, дубильных и других веществ, на 30 % повышает выход тартроновой

кислоты из капустной мезги, на 20 % - выход инулина из корней ло­ пуха, валерьяновой кислоты из корневищ валерианы, на 10...50 % - других веществ из различного растительного сырья.

Проводя экстракцию тканей животных в ультразвуковом поле, можно быстро и эффективно извлечь адреналин из надпочечной же­ лезы, инсулин - из поджелудочной железы, лидазу - из семенников, спленин - из селезенки, цитохром С - из сердечной мышцы крупного рогатого скота, пепсин - из автолизатов свиных желудков, панток­ рин - из пантов оленя и целый ряд ферментов, гормонов, витаминов из другого животного сырья.

Биологическая активность лекарства в огромной степени зависит от физико-химического состояния входящих в него веществ. В част­ ности, активность действующего начала в линиментах, суспензиях, эмульсиях существенно меняется в зависимости от степени дисперс­ ности частиц, значительно увеличивающейся при ультразвуковой об­ работке. Кроме того, суспензии и эмульсии после ультразвукового воздействия не расслаиваются и сохраняют свои свойства значитель­ но дольше, чем эмульсии и суспензии, полученные традиционными способами (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Сравнительная устойчивость эмульсий, полученных разными методами

Частицы лекарственного вещества в эмульсиях и суспензиях, раз­ дробленные до весьма малых размеров (0,1...0,5 мкм), приобретают новые качества. Можно, например, приготовить эмульсию рыбьего жира, лишенную специфического запаха и вкуса. С помощью ультра­ звука были получены и успешно применяются в лечебной практике высокоактивные эмульсии касторового и вазелинового масел, рыбьего жира, нафталановой нефти, лечебных грязей.

Суспензии - взвеси твердых частиц в жидкости, часто приме­ няющиеся в лечебных целях, также меняют свои свойства под дей­ ствием ультразвука. Размеры частиц уменьшаются, количество их возрастает, и, следовательно, увеличиваются устойчивость суспен­

зии и общая поверхность частиц, определяющая биодоступность лекарственного вещества.

Например, средние размеры частиц норсульфазола в суспензии в результате ультразвуковой обработки уменьшаются с 45... 120 мкм до 3...10 мкм. При введении такой суспензии в организм время достиже­ ния максимальной концентрации препарата в крови сокращается в 2-4 раза. Используют ультразвук и для приготовления лекарственных форм, содержащих бентонитовые глины.

Противогрибковая активность 1 -(2-хлорфенил) дифенилме- тил-1н-имидазола, известного как клотримазол или трихопол, много­ кратно возрастает под действием ультразвука (22 кГц; 1,5 Вт; 40 мин).

Седиментационно устойчивая дисперсия клотримазола в воде с ПАВ (лаурил сульфат), введенная в питательную среду с инкубируемыми мик­ роорганизмами СагиМа а1Ысат, оказалась значительно эффективнее, чем та же композиция, приготовленная без ультразвука. Минимальная цитоцидная концентрация клотримазола в обработанной ультразвуком дис­ персии составила 6 • 10“6 моль/л, минимальная ингибирующая концен­ трация - 1,2 • 10-7 моль/л. Эти концентрации на порядок ниже содержа­ ния клотримазола в стандартной дисперсии, не обработанной ультразвуком. Иначе говоря, для лечения грибкового заболевания (кандидоз) требуется примерно в 10 раз меньше препарата, обработанного ульт­ развуком, чем полученного по традиционной технологии.

Теоретические кривые роста СапйШа а1Ысапз в питательных сре­ дах, содержащих клотримазол (рис. 6.1), построенные по вычислен­ ным кинетическим коэффициентам и экотоксикологическому уравне­ нию, хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Не следует, однако, забывать, что в ультразвуковом поле, особен­ но при интенсивностях, превышающих порог кавитации, возможны химические превращения лекарственных веществ, способные карди­ нально изменить их свойства и действие на организм (см. § 1.9).

Протекторами для лекарств в ультразвуковом поле могут служить акцепторы свободных радикалов. Так, 1 % аскорбиновой кислоты в растворе предотвращает ультразвуковые химические реакции с уча­ стием резорцина, новокаина, производных парааминосалициловой кислоты и других лекарственных веществ. Свойствами сонопротекто­ ров обладают также сульфат, бисульфат и метабисульфат натрия, не­ которые антиоксиданты.

Активность ряда веществ, в частности антибиотиков - бензилпенициллина, стрептомицина, тетрациклина, низина, а также интерферонов - даже увеличивается под действием ультразвука. Возможно, это обусловлено распадом самопроизвольно образующихся в растворе этих веществ димеров, тримеров, тетрамеров. Данные ассоциаты рас­