Динамика минерального состава прополиса в процессе его промышленной переработки

Наиболее распространенными способами извлечения биологически активных веществ прополиса являются водная, спиртовая и водноспиртовая экстракции. Водорастворимые и спирторастворимые компоненты прополиса обладают высокой биологической активностью и представляют наибольший интерес для косметической, пищевой и фармацевтической промышленности [Вахонина, 2011; Greenaway, Scaysbrook, Whatley, 1990; Marcucci, 1995; Bankova, De Castro, Marcucci, 2000].

Основными действующими компонентами прополиса, представляющими промышленное значение, выступают органические соединения: флавоноиды, аминокислоты, сложные эфиры, ферменты, сахара и др. [Marcucci, 1995]. В процессе экстракции с использованием разных технологий из нативного прополиса извлекаются биологически активные и прочие полезные вещества органической природы, а в остатке прополиса после экстракции происходит относительное концентрирование гидрофильных минеральных веществ.

Состав минеральных соединений прополиса и остатков его переработки изучен крайне слабо. Известно, что в прополисе преимущественно содержатся К, Са, Р, Na, Mg, S, Cl, Al, Fe, V, Mn, Zn, Cu, Si, Sr, Se, F, Co [Ghisalberti, 1974; Walker, Crane, 1987; Greenaway, Scaysbrook, Whatley, 1990; Marcucci, 1995; Burdock, 1998; Bankova, De Castro, Marcucci, 2000]. Вследствие высокого содержания жироподобных веществ и восков прополис обладает способностью к повышенному накоплению тяжелых металлов - свинца, кадмия [Bogdanov, 1988; Fleche et al., 1997; Bogdanov, Kilchcnmann. Irndorf, 1998].

Исследования направлены, как правило, на определение общего содержания макро-, микро- и токсичных элементов в прополисе. Формы нахождения химических элементов, закономерности формирования состава и свойств минеральных и органоминеральных компонентов в продуктах пчеловодства, изменение минерального состава исходных компонентов продукции пчеловодства при их преобразовании пчёлами, при дальнейшей промышленной переработке остаются в настоящее время не изученными.

Особого внимания заслуживает проблема накопления в прополисе токсичных элементов, главным образом, свинца и кадмия, поступающих в прополис из атмосферы, пчеловодческого инвентаря и препаратов [Finger et al., 2014; Fleche et al., 1997]. Определенная часть сырья прополиса не отвечает требованиям безопасности, необходимым при производстве лекарственных и косметических средств [Fleche et al., 1997]. В условиях возрастающего дефицита сырья прополиса необходима разработка технологий по удалению токсичных элементов в процессе подготовки сырья к переработке.

Цель настоящего исследования - изучение ди намики минерального состава в ходе промышленной переработки прополиса с использованием разных экстрагирующих веществ. Изучалось изменение содержания питательных и токсичных элементов в продуктах (экстрактах) и остатках переработки прополиса.

Материалы и методы исследования

В качестве объектов исследований послужили образцы прополиса нативного (свежее сырье) из Пермского края, собранных с растений рода тополь: тополь черный, тополь дрожащий, а также продукты и отходы разных стадий промышленной переработки прополиса.

Нативный прополис разного ботанического происхождения

Изучено два типа прополиса с разным ботаническим происхождением:

• •    прополис с тополя черного - Populus nigra L.;

• •    прополис с тополя дрожащего (осина) - Populus tremula L.

Географическое происхождение обоих ботанических типов образцов - Пермский край: таежная и подтаежная ландшафтные зоны. Отбор образцов проводили на пасеках Чайковского, Пермского, Александровского, Карагайского муниципальных р-нов в июле 2015 г. Образцы, отобранные авторами на территориях крупных населенных пунктов (г. Пермь, Чайковский, Александровск), имели преимущественно происхождение с тополя черного. Образцы, собранные с пасек, расположенных за территорией городов, имели происхождение с осины (тополя дрожащего).

Остатки прополиса после экстракции

Исследованы остатки прополиса после водной, водно-спиртовой экстракции и глубокой переработки (после 4-кратной водно-спиртовой экстракции).

Фракции ступенчатой переработки прополиса

Исследованы образцы, полученные разными способами экстрагирования, проб прополиса тополиного (Пермский край): водная, солевая, спиртовая, водно-спиртовая экстракции.

В лабораторном эксперименте была воспроизведена схема промышленной переработки прополиса.

Схема экстрагирования прополиса в лабораторных условиях:

• 1.    Водная экстракция: навеску нативного прополиса 5.0 г кипятили в четырех порциях дистиллированной воды по 25 мл в течение 60 мин. для каждой порции. Полученную суспензию

• 2.    Водно-спиртовая экстракция: твердый остаток водной экстракции обрабатывали четырьмя порциями этанола (30%) по 25 мл в течение 60 мин. для каждой порции на автоматическом шейкере. Жидкую фазу объединяли в единую пробу в мерной колбе на 100 мл. В твердом остатке определяли валовое содержание элементов. Из жидкой фазы отгоняли спирт и в твердом остатке определяли валовое содержание элементов.

• 3.    Спиртовая экстракция: пробы нативного прополиса по 5.0 г экстрагировали с использованием

фильтровали через складчатый фильтр с диаметром пор 4-7 мкм. Жидкую фазу (водная суспензия с размерами частиц менее 7 мкм) объединяли в единую пробу в мерной колбе на 100 мл и использовали для определения состава. Затем твердый остаток (осадок с размерами частиц более 7 мкм) подвергали спиртовой экстракции (см. водно-спиртовая экстракция).

• 96- и 70%-ного этанола. Экстрагирование проводили порциями по 25 мл в течение 60 мин. для каждой порции на автоматическом шейкере и объединяли жидкие фазы в мерных колбах на 100 мл (для анализа не использовали). Анализ химического состава проводили в твердых остатках прополиса.

4. Солевая экстракция: для определения элементов, адсорбированных на коллоидных частицах прополиса и входящих в состав солерастворимых веществ, проводили экстракцию прополиса (навеска 5.0 г) 1 М раствором NH4NO3 порциями по 25 мл в течение 60 мин. для каждой порции на автоматическом шейкере. Жидкую фазу объединяли в мерной колбе на 100 мл. Определение состава проводили в жидкой и твердой фазах.

Содержание элементов определялось как в жидких, так и в твердых фракциях экстрактов по следующей схеме (табл. 1).

Таблица 1

Схема исследования химического состава прополиса

Происхождение пробы	Экстракция	Анализируемая фаза	Испытуемая минеральная фракция
Россия, Пермский край (тополь черный, т. дрожащий)	Водная	Жидкая	Водорастиворимая
	Водно-спиртовая (30%-ный этанол после водной экстракции)	Жидкая, твердая	Спирторастворимая, валовая
	Спиртовая 70- и 96%-ный этанол	Жидкая, твердая	Валовая
	Солевая	Жидкая, твердая	Обменная, валовая

Лабораторный эксперимент по переработке прополиса осуществлялся на базе лаборатории почвенных ресурсов и качества биологической продукции кафедры физиологии растений и микроорганизмов биологического факультета.

Определение минеральных элементов

Содержание макро-, микро- и токсичных элементов в прополисе и продуктах экстракции (жидкая, твердая фаза) определяли методом оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе Perkin Elmer 7000 RL с использованием мультиэлементного стандартного раствора Merck IV (23 элемента). Нижний предел обнаружения элементов составлял 0.3 мг/кг. Пробы анализировали в 4-кратной повторности. Исследования проводили на базе лаборатории экотоксикологии Тобольской комплексной научной станции УрО РАН (г. Тобольск).

Статистическая обработка данных

Для математической обработки результатов использовали статистическую программу SigmaPlot 11.0. Определяли характер распределения, точность опыта, рассчитывали средние величины, стандартное отклонение, критерии Стьюдента и Фишера.

Результаты и их обсуждение

Минеральный состав прополиса разного ботанического происхождения. Исследованные образцы прополиса разного ботанического происхождения (тополь черный и тополь дрожащий) существенно отличались друг от друга по содержанию минеральных элементов (табл. 2). Прополис с тополя черного имел повышенное содержание большинства химических элементов по сравнению с прополисом с тополя дрожащего, за исключением натрия и хрома. Достоверность различий подтверждается величиной НСРо5 (наименьшая существенная разница на 5%-ном уровне значимости). Количество кобальта и никеля в пробах прополиса нативного обоих типов достоверно не отличалось.

Содержание свинца в исследованном прополисе с тополя черного и тополя дрожащего существенно превышало уровни, допустимые согласно СанПиН 2.3.2.1078-01 и «Единым санитарногигиеническим требованиям таможенного союза». В странах ЕС содержание тяжелых металлов в прополисе нормируется согласно требованиям Европейской фармакопеи для сырья фармацевтической промышленности растительного происхождения. Согласно европейским нормативам, исследованный прополис с тополя имеет недопустимо вы- сокое содержание свинца и кадмия. Прополис с ваниям ЕС по содержанию этих элементов.

тополя дрожащего, напротив, соответствует требо-

Таблица2

Содержание минеральных элементов в прополисе нативном разного ботанического происхождения и в остатках после экстракции, мг/кг

Элемент	Нативный прополис (ботаническое происхождение)		Нормативные требования
	Тополь черный п = 13	Тополь дрожащий п = 13
А1	252.50	201.80	—
Са	701.00	616.80	—
Fe	403.90	258.90	—
К	431.10	302.90	—
Mg	165.60	143.10	—
Na	203.60	249.10	—
Со	1.76	1.40	—
Сг	2.57	3.55	—
Си	11.32	8.17	—
Мп	15.51	10.65	—
Ni	6.51	5.33	—
Zn	94.18	16.10	—
Cd	0.22	0.16	1.0*
Pb	11.81**	3.40**	1.0*

Примечание, п -количество проб; * - допустимый уровень согласно СанПиН 2.3.21078-01; ** - превышение

ПДК; ± - стандартное отклонение, — - не нормируется.

Динамика минерального состава прополиса в ходе промышленного выделения действующих веществ. Изучено изменение минерального состава прополиса в процессе выделения действующих веществ, согласно схеме технологической переработки. Содержание химических элементов в остатках прополиса после экстракции (твердая фаза) и экстрактах (жидкая фаза) прополиса представлено в табл. 3 и 4. Изменения состава продуктов и остатков экстракции оценивали по повышению или понижению содержания элемента относительно сырья (прополиса нативного).

Таблица 3

Состав остатков (твердая фаза) прополиса после разных типов экстракции

Способ экстракции	Тип пропо лиса	Содержание минеральных элементов, мг/кг
		А1	Са	Си	Fe	Mg	Мп	Na	Ni	РЬ	Zn
Нативный	Т.' черный	140	380	13.6	183	114	11.2	74	8.1	5.6	27
(до экстракции)	Т. дрожащий	96	331	12.3	99	115	89	89	8.0	4.2	13.4
Водно-спиртовая	Т. черный	178	82	15	204	32	3.5	19	10	4.3	8.5
(30%-ный этанол^	Т. дрожащий	109	42	12	92	17	3.4	26	9.6	1.8	3.3
Спиртовая	Т. черный	271	1655	24	398	467	40	30	15	9.5	70
(70%-ный спирт)	Т. дрожащий	160	814	15	193	192	43	38	И	5.6	85
Спиртовая	Т. черный	377	2185	20	492	694	58	135	12	13	89
(96%-ный спирт)	Т. дрожащий	202	902	14	277	297	55	100	И	5.1	42
Солевая	Т. черный	127	368	14	159	77	8.3	26	10	6.1	17
(IMNaNOs)	Т. дрожащий	93	189	12	110	58	И	19	8.1	1.5	17

Таблица 4

Состав экстрактов (жидкая фаза) прополиса после разных типов экстракции

Способ экстракции	Тип пропо лиса	Элемент
		А1	Са	Си	Fe	Mg	Мп	Na	Ni	Pb	Zn
Водная (суспензия)	Т. черный	180	6850	16	384	1890	172	1610	13	17	412
	Т. дрожащий	257	3000	20	521	1110	143	1188	16	9.2	316
Водно-спиртовая (30%-ный этанол)	Т. черный	24	32	9	88	134	2.0	89	5.3	1.8	5.4
	Т. дрожащий	24	32	10	89	139	2.0	77	4.6	1.1	5.7
Солевая (!MNaNO3)	Т. черный	4.6	371	1.9	1.7	152	И	137	1.4	0.7	13
	Т. дрожащий	2.4	158	1.7	0.7	52	8.0	97	1.4	0.42	6.8

В прополисе (твердые остатки) после водноспиртовой экстракции существенно снижается содержание большинства элементов, что свидетельствует об их переходе в водную фазу. В водном экстракте (суспензии) наблюдалось повышение содержания большинства элементов. После экстрагирования 70%-ным этанолом часть элементов (К, Na, Мн) из-за присутствия в растворителе водной фазы (30%) извлекается в экстракт, другая часть концентрируется в твердом остатке прополиса.

При обработке прополиса 96%-ным спиртом в остатке прополиса повышается содержание большинства элементов, в водно-спиртовом экстракте одновременно наблюдается уменьшение концентрации многих элементов, что связано с извлечением 96%-ным спиртом гидрофобных органических компонентов прополиса (фенольные соединения, воски, смолы) в жидкую фазу и с относительным концентрированием минеральных компонентов в твердой фазе остатка.

Солевая экстракция прополиса в промышленной переработке прополиса не используется, но может представлять интерес для извлечения обменных катионов, входящих в состав коллоидов прополиса. Наши исследования показали, что при обработке прополиса 1-молярным раствором аммонийной селитры наблюдается выделение в раствор обменных катионов натрия, магния и свинца. Остальные катионы металлов ведут себя неоднозначно, что может быть связано с образованием промежуточных комплексных соединений, и требуются дополнительные исследования обменной способности коллоидов прополиса. Солевая экстракция прополиса может быть направлена на удаление свинца перед дальнейшей промышленной переработкой для получения безопасных продуктов.

Таким образом, в процессе экстракции содержание и соотношение минеральных элементов в экстрактах и остатках прополиса существенно меняется. Динамика минерального состава прополиса в ходе промышленной переработки зависит от природных свойств нативного прополиса, т.е. от его происхождения и свойств (концентрация, формы нахождения элементов), а также от характера экстрагирующего вещества и от способа экстракции.

При извлечении гидрофобных органических компонентов 96%-ным спиртом в остатке прополиса (твердая фаза) увеличивается доля минеральных веществ. Разбавленный (70%-ный) спирт позволяет экстрагировать, помимо органических компонентов, часть минеральных соединений, что является важным для производства биологически активных добавок.

Минеральный состав отходов прополиса после экстракции. Результаты исследований (табл. 5) показали существенные различия минерального состава остатков прополиса с разной степенью переработки.

Таблица 5

Минеральный состав отходов прополиса после разной глубины переработки

Элемент	Отходы после водной экстракции, п = 5	Отходы после водно-спиртовой экстракции (шрот), п = 5
А1	10б8.б±111.70	1458.3±357.90
Са	1456.0±32.80	2173.4±546.10
Fe	1815.7±90.70	2238±509.10
К	284.7±43.20	365.9±75.50
Mg	394.4±61.30	411.6±106.40
Na	282.9±33.40	281.6±61.40
В	2.61±0.38	4.09±1.35
Со	2.26±0.28	2.28±0.34
Сг	8.92±2.38	13.67±5.28
Си	15.90±2.01	20.13±3.49
Мп	26.83±3.26	27.95±7.47
№	12.88±1.99	15.05±3.16
Zn	122.3±11.80	147.5±33.60
Cd	0.38±0.05	0.39±0.07
Pb	22.43±3.55	39.28±11.36

Отходы прополиса после водной экстракции имеют пониженное содержание большинства минеральных элементов по сравнению с остатками прополиса после дополнительного водноспиртового извлечения веществ. Количественные различия минерального состава прополиса могут быть связаны как со свойствами исходного сырья, так и со спецификой переработки прополиса (технологии). Повышенное содержание минеральных элементов в остатках прополиса, включая токсичные, может свидетельствовать об их высоком содержании в сырье (нативный прополис).

При неполном извлечении биологически активных органических соединений (с использованием слабых органических растворителей или воды) в экстракты прополиса могут поступать минеральные элементы, в том числе и тяжелые металлы.

Для ориентировочной оценки уровня поступления минеральных элементов в водно-спиртовой экстракт был проведен сравнительный анализ минерального состава остатков прополиса из запасов до и после глубокой переработки (табл. 6).

На основании полученных данных были рассчитаны коэффициенты перехода элементов в экстракт (К_пэ):

где а - содержание элемента в остатке до экстракции; b - содержание элемента в остатке после экстракции.

Согласно проведенным расчётам, большая часть макро- и микроэлементов в ходе выделения биологически активных веществ прополиса из запасов переходит в экстракт. Доля извлечения элементов в экс тракт колеблется при этом от 3 до 39% от исходного содержания в прополисе из складских помещений (запасы) и зависит как от химических свойств самого элемента, так и от условий извлечении (исходное сырье, растворитель, температура, давление и др.). Только натрий и никель концентрируются в остатке после глубокой переработки и не извлекаются в экстракт.

Таблица 6

Минеральный состав остатков прополиса и после дополнительной экстракции (глубокая переработка), мг/кг

Элемент	Остатки прополиса до глубокой переработки (а)	Отходы после 4-кратной водноспиртовой экстракции (6)	Коэффициент перехода в экстракт, Кпэ
Макроэлементы
Al	1919	1500	0.22
Ca	2620	2297	0.12
Fe	2950	2565	0.13
К	466	357	0.23
Mg	516	399	0.24
Na	254	272	-0.07*
Микроэлементы
В	5.83	5.21	0.11
Co	2.73	2.23	0.18
Cr	22.11	13.41	0.39
Cu	22.04	20.47	0.07
Mn	38.03	31.41	0.17
Ni	19.34	39.57	-1.05*
Zn	188.20	183.10	0.03
Токсичные элементы
Cd	0.49	0.49	0
Pb	56.46	52.76	0.05
* - элемент в экстракт не переходит, т.е. концентрируется в остатке.

Из токсичных элементов в экстракт переходит свинец (5% от содержания в прополисе из запасов). Кадмий при данных условиях экстракции равномерно распределяется в экстракте и в остатке глубокой переработки, что говорит о его частичном переходе в экстракт. Необходим более тщательный оперативный контроль безопасности исходного сырья и оптимизация технологии выделения биологически активных компонентов из прополиса и его остатков (из запасов).

При переработке прополиса и промежуточных продуктов его переработки существует возможность корректировки в экстрактах и отходах экстракции минерального состава и особенно уровня содержания токсичных элементов. Применение ионнообменных процессов и использование метода разбавления компонентов продукта, например, мёдом, основой для апигранул и другими композиционными добавками позволит уменьшить содержание токсичных элементов до безопасного нормативного уровня.

Регулировать состав продуктов экстракции и остатков переработки прополиса возможно с ис пользованием органических растворителей разной концентрации. Изменение силы растворителя позволит перераспределять переход минеральных элементов и органических действующих веществ в промежуточные и конечные продукты экстракции прополиса и даст возможность более эффективного использования сырья и запасов прополиса, его полезных компонентов в производстве БАД.

Отходы глубокой переработки прополиса, состоящие преимущественно из минеральных веществ, могут использоваться в производстве подкормок для растений, а также служить сырьем для получения биоминералов.