Повышение эффективности экстракции биологически активных веществ из растительного сырья маклюры оранжевой (macluraaurantiaca l.) методом ультразвукового воздействия

Актуальность проблемы: Постоянно возрастающие потребности общества в биологически активных веществах, в том числе антиоксидантного характера, обуславливают поиск не только перспективных источников их получения, но и методов экстракции. Высокая вариабельность биологически активных соединений требует развития подходящих стандартных подходов для их извлечения. Подбор метода и параметров ведения процесса экстракции БАВ определяет в дальнейшем свойства экстрагированного вещества и его эффективность воздействия. Нами в качестве механизма активизации процесса экстрагирования предложено ультразвуковое воздействие, характеризующееся наличием упругих колебаний и волн частотой выше 15–20 кГц. В качестве материалов исследования был выбран: маклюра оранжевая (Macluraaurantiaca L.). В основу эксперимента заложены следующие факторы экстракции: экстрагенты БАВ (вода и водно-спиртовой раствор, концентрация спирта 70 %); обработка УЗ разной мощности (120 Вт и 240 Вт) экстрагента в течение 5 минут; метод экстрагирования (настаивание и дистилляция). Результаты исследований показали, что наибольшей антиоксидантной активностью по отношению к контролю обладают образец экстракта Macluraaurantica L., полученный при использовании ультразвукового воздействия мощностью 120 Вт. УЗ воздействие мощностью 120 Вт в течение 5 минут весьма эффективно для сохранения антиоксидантов (АОА 2,4043 ± 0, 084 мг/мл при контроле 2,0773 ± 0,06 мг/мл). Ультразвуковой воздействие на зерно в воде мощностью 120 Вт в течение 5 минут активизирует выделение из маклюры оранжевой экстрактивных веществ и повышает антиоксидантную активность экстракта. Таким образом, установлено, что ультразвуковая обработка улучшает кинетику экстрагирования и выход биологически активных веществ из субстрата.

Постоянно возрастающие потребности общества в биологически активных веществах, в том числе антиоксидантного характера, обуславливают поиск не только перспективных источников их получения, но и методов экстракции.

Все большее число современных медиков признает необходимость изменения стратегии лечения болезней, причем основной выход видит в развитии профилактического направления в медицине, о котором в последние годы почти полностью забыли. При этом под профилактикой следует понимать не только предупреждение возникновения заболеваний, но и их осложнений, а также защиту организма при современном агрессивном специфическом и хирургическом лечении, реабилитацию больных.

Всемирная организация здравоохранения Организация (ВОЗ) прогнозирует, что 80 % населения мира зависит от традиционной медицины как первичной медико-санитарной помощи, в основном с использованием растительных экстрактов и их биологически активных соединений.

Высокая вариабельность биологически активных соединений требует развития подходящих стандартных подходов для их извлечения. Фактически, качество дальнейших этапов разделения, идентификации и характеристики биоактивных соединений сильно зависит от пригодности выбранного процесса экстракции. Все имеющиеся методы направлены на извлечение наиболее ценных соединений, преобразование биоактивных соединений в более подходящие формы [1, 2, 3, 5].

Все существующие способы экстрагирования классифицируют на: статические и динамические (рис. 1). В процессе их производства используются специальные растворители (глицерин, эфир, вода или спирт).

Полученные таким образом растительные экстракты делят на:

• подвижные (жидкие);
• густые (содержание влаги в составе экстракта не превышает 25 %);
• сухие/сыпучие (содержание влаги не превышает 5 %).

Экстрагент подбирают в зависимости от того, к какому компоненту (спирту, воде и т. д.) чувствительно исходное сырье. Экстракты, получаемые промышленным способом, подлежат обязательной стандартизации, которая определяет минимально необходимое содержание тех или иных компонентов в составе конечного вещества.

Некоторые из наиболее применяемых методов включают:

1. Извлечение методом Сокслета, обычно с гексаном, петролейным эфиром, этилацетатом или метанолом; эта методика позволяет выполнять несколько циклов экстракции с «обновленным» растворителем, но процесс слишком длинный, и растворители являются дорогостоящими. Этот метод обычно используется для извлечения липофильных компонентов, используя гексан или петролейный эфир в качестве растворителей. Однако он также может быть использован для полярных соединений, как в случае конкретных фенольных соединений, которые эффективно экстрагируются метанолом [4].
2. Ультразвуковая экстракция (УЗЭ), основанная на использовании ультразвуковых вибраций к извлеченному образцу. Несмотря на то, что сильно зависит от типа растворителя, размера образца, рН экстракции, температуры и давления, это быстрый и простой метод, позволяет одновременно извлекать несколько партий; часто совмещается с метанолом, ацетоном, водой и этилацетатом. Эта технология успешно применяется для извлечения различных биологически активных соединений, такие как каротиноиды, полисахариды, белки, фенольные соединения, ароматические соединения или стеролы [8].
3. Флюидная экстракция, обычно выполняемая с двуокисью углерода под высоким давлением. Осуществляется при низких температурах, требует небольших объемов растворителей, времени осуществления экстракции, обладает высокой селективностью. На эффективность этого метода влияют такие параметры, как давление, температура, время осуществления и растворимость [4].
4. Ускоренная экстракция растворителем – производится с помощью одинаковых растворителей, но с использованием более высокого давления и повышенных температур. Имеет дополнительные преимущества по увеличению объема получаемых экстрактов, ускорению процесса экстракции, автоматизации процесса и повышению его кинетики. Используется для извлечения фенольных соединений и каротиноидов [4, 6, 7].
5. Извлечение встряхиванием. В этом типе экстракции используются вибрационные устройства, что повышает эффективность экстракции и сокращает ее время. Основным преимуществом этого метода является увеличение поверхности взаимодействия растворителя с растительным материалом. Высокое разнообразие встряхивающих устройств или доступные растворители делают его пригодным для экстракции большого количества компонентов [4].

Цель исследования: является подбор метода и параметров ведения процесса экстракции БАВ в дальнейшем свойства экстрагированного вещества и его эффективность воздействия.

Нами в качестве механизма активизации процесса экстрагирования предложено ультразвуковое воздействие, характеризующееся наличием упругих колебаний и волн частотой выше 15–20 кГц. В результате действия ультразвука в жидкой среде возникает кавитация – массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью.

Движение пузырьков в различных направлениях, их схлопывание, слияние друг с другом и т. д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, что способствует локальному нагреванию среды, возникновению ионизации. В результате указанных эффектов происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), жидкость перемешивается, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы.

Степень и глубина кавитационных процессов определяются условиями ультразвукового воздействия, которое способствует образованию в жидкости участков с высоким и низким давлением, которые, в свою очередь, обусловливают формирование в среде зон высоких сжатий и зон разрежений.

Материалы и методы

В качестве материалов исследования было выбрано следующее растительное сырье:

– маклюра оранжевая или маклюра яблоконосная, или красильная шелковица, или лжеапельсин (лат. Maclura pomifera), — вид плодовых деревьев семейства Тутовые (Moraceae). Листопадное двудомное дерево высотой до 20 м, с сильно ветвистой, густой, раскидистой кроной; со стройным стволом, покрытым тёмнобурой трещиноватой корой. Ветви коленчато-изогнутые, побеги сильно колючие (имеется бесколючковая форма, inermis), колючки до 2,5 см длиной располагаются в пазухах листьев. Листья 12×7,5 см, очередные, яйцевидные, с острой вершиной, цельнокрайные, тёмно-зелёные, блестящие, с нижней стороны светлее. Осенью листья приобретают золотисто-жёлтую окраску.

Плод маклюры называют адамовым яблоком (реже китайским, или индийским апельсином). Это крупный плод, до 15 см в поперечнике, с морщинистой оранжево-зелёной кожей, по форме и окраске напоминающий апельсин. Ядовит. При разрезании ножом выделяется липкая жидкость — это млечный сок, которым буквально пропитаны все части растения.

В млечном соке маклюры много циклических тритерпеновых спиртов в виде эфиров жирных кислот. К этому классу биологически активных веществ, широко распространенных в растительном мире, относятся стерины, желчные кислоты, сапонины. Суммарное содержание тритерпеноидов в соплодиях маклюры в период молочной спелости достигает 4 %. Химический состав плодов очень разнообразен, но много веществ, схожих веществами из плодов шелковицы. Однако плоды маклюры несъедобны. Много в соплодиях сахаров, пектиновых веществ до 10 %, в листьях почти 13 % лимонной кислоты. Семена — небольшие орешки, размещенные внутри соплодия, содержат почти 30 % жирных кислот. Но наиболее ценными веществами маклюры можно считать флавоноидные соединения. Эта группа веществ по строению подобна витамину P. По сути, это мощные антиоксиданты, обладающие противосклеротическими и противоканцерогенными свойствами. В наибольшем количестве из флавонолов содержится кемпферол — до 1,2 %. Именно эти вещества обладают жёлто-оранжевым (апельсиновым) цветом. В больших количествах (около 6 %) содержится в плодах и изомерные соединения флавоноидов — изофлавоны. Из них большая часть приходится на долю осайина. Как и многие полифенолы с Р-витаминой активностью они укрепляют сосуды, капилляры. При этом осайин намного выше по эффективности, чем известный рутин. Фитопродукт из флавоноидов, выделенный из соплодий маклюры, является потенциальным сырьём для создания эффективного сердечно-сосудистого средства.

В народной медицине млечный сок маклюры используют для лечения различных кожных заболеваний — дерматитов, экземы, ран и пендинской язвы, а также для лечения рака кожи, радикулитов, ревматизма, полиартрита, гипертонии и геморрагических патологий [9].

В основу эксперимента были заложены следующие факторы экстракции: экстрагенты БАВ (вода и водноспиртовой раствор, концентрация спирта 70 %); обработка УЗ разной мощности (120 Вт – 30 % от паспортного значения; 240 Вт – 60 % от паспортного значения) экстрагента в течение 5 минут; метод экстрагирования (настаивание и дистилляция).

Условия экстрагирования овса:

1. водное;
2. с добавлением спирта (20, 50 и 70 %);
3. обработка ультразвуком мощностью 120 и 240 Вт в течение 1, 3 и 5 минут на разных этапах (предварительно воды либо совместно смеси зерна и воды).

Для обработки исследуемых объектов ультразвуковым воздействием применялся ультразвуковой технологический аппарат серии «Волна-М» (модель УЗТА-04/22-ОМ), обладающий следующими характеристиками:

• частота механических колебаний – (22 ± 1,65) кГц;
• мощность – 400 ВА;
• интенсивность ультразвукового воздействия – не менее 10 Вт/см2;
• диаметр излучающей поверхности – 25 мм.

Ультразвуковая колебательная система построена на пьезоэлектрических кольцевых элементах и изготовлена из титанового сплава ВТ5.

Результаты обсуждения. Нами в первую очередь устанавливалось влияние метода экстракции на содержание экстрактивных веществ и антиоксидантную активность получаемых экстрактов. Данные по указанным параметрам по Macluraaurantiaca приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Результаты оценки экстрактов Macluraaurantiaca

Результаты оценки показали, что наибольшей АОА по отношению к контролю обладают образец экстракта Macluraaurantiaca (2,4043 мг/мл), полученный при использовании ультразвукового воздействия мощностью 120 Вт, и образец на основе водно-спиртового экстрагента без УЗВ (2,5209 мг/мл).

УЗВ воздействие мощностью 120 Вт в течение 5 минут весьма эффективно для сохранения антиоксидантов (АОА (2,4043 ± 0, 084) мг/мл при контроле (2,0773 ± 0,06) мг/мл). Повышение мощности до 240 Вт дает значительное повышение по показателю накопление экстрактивных веществ ‒ (67,29 ± 1,2) % при значении этого показателя в контроле (66,66 ± 0,9) %.

Результаты оценки доли экстрактивных веществ и ОАО в экстрактах из Macluraaurantiaca приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Результаты оценки экстрактов Macluraaurantiaca

Различные условия экстрагирования Macluraaurantiaca определяют разницу в экстрактивности и антиоксидантной активности экстрактов. Ультразвуковое воздействие на плоды в воде мощностью 120 Вт в течение 5 минут наиболее сильно активизирует выделение из Macluraaurantica L. экстрактивных веществ, по сравнению с контролем их массовая доля увеличилась в экстракте на 43,7 %, предварительная обработка только воды до внесения в нее зерна также активизирует процесс экстрагирования, но в меньшем объеме – на 15,5 %.

Также применяемые методы экстрагирования способствуют повышению антиоксидантной активности экстрактов, и спиртовых, и с ультразвуковым воздействием.

Наши исследования подтверждают повышение антиоксидантной активности спиртовых экстрактов в среднем на 111,8–135,5 %, ультразвук действует менее активно, повышение АОА экстрактов составило 14,6– 34,4 %.

Выводы: Таким образом, установлено, что ультразвуковая обработка улучшает кинетику

экстрагирования и выход биологически активных веществ из субстрата. В технологии экстрагирования исключается этап настаивания, что обеспечивает снижение энергоемкости процесса. Эти эффекты обусловлены имплозией пузырьков, генерируемых эффектами кавитации. Температура и давление, создаваемое при имплозии, разрушают оболочку клетки растительного сырья, и ее содержимое выбрасывается в среду экстрагента.

Применяемые нами методы экстрагирования дают положительные результаты и требуют дальнейших исследований в указанном направлении.

Литература

1. Марина н.в., Новоселова г.н., Шавнин с.а. Продукты повышенной биологической ценности из нетрадиционного растительного сырья // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2010. – Т. 12, No 1(8). – С. 2079–2082.
2. Синютина с.е., Романцова с.в., Савельева в.ю. Экстракция флавоноидов из растительного сырья и изучение их антиоксидантных свойств // Вестник ТГУ. – 2011. – Т. 2, No 1. – С. 345–347.
3. Adom k.k., Liu r.h. Antioxidant activity of grains // Journal of Agricultural and Food Chemistry. – 2002. – V. 50. – P. 6182–6187. DOI: 10.1021/jf0205099
4. Arceusz Agnieszka, Wesolowski Marek and Konieczynski Pawel. Methods for Extraction and Determination of Phenolic Acids in Medicinal Plants // Natural Product Communications. – 2013. – V. 8 (12). – Р. 1821–1830.
5. Chester t.l., Pinkston j.d., Raynie d.e. Supercritical fluid chromatography and extraction // Analytical Chemistry. – 1996. – V. 68 (12). – P. 487–514. DOI: 10.1021/a1960017i
6. Fang Z., Bhandari B. Encapsulation of polyphenols // Trends in Food Science & Technology. – 2010. – V. 21 (10). – P. 510–523. DOI: 10.1016/j.tifs.2010.08.003
7. Saha S., Walia S., Kundu A., Sharma K., & Paul r.k. Optimal extraction and fingerprinting of carotenoids by accelerated solvent extraction and liquid chromatography with tandem mass spectrometry // Food Chemistry. – 2015. – V. 177. – P. 369–375. DOI: 10.1016/j.foodchem.2015.01.039
8. Vilkhu K., Mawson R., Simons L., & Bates D. Applications and opportunities for ultrasound assisted extraction in the food industry // Innovative Food Science & Emerging Technologies. – 2008. – V. 9(2). – P. 161–169. DOI: 10.1016/j.ifset.2007.04.014
9. аиф. Здоровье, № 25(513), 2004 г.