Оптимизация параметров экстракции биологически активных веществ из корня солодки методом планирования эксперимента по Боксу—Бенкену
Автор: Баязитов К.Р., Яковченко Н.В., Анцыперова М.А.
Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet
Рубрика: Пищевые системы
Статья в выпуске: 1 (107) т.88, 2026 года.
Бесплатный доступ
Корень солодки (Glycyrrhiza glabra L.) является ценным лекарственным сырьем, содержащим комплекс биологически активных веществ с антиоксидантной активностью. Оптимизация процесса экстракции позволяет повысить эффективность извлечения целевых компонентов. Целью исследования является определение оптимальных параметров экстракции для максимального извлечения фенольных соединений и достижения высокой антиоксидантной активности экстрактов корня солодки. Для оптимизации процесса экстракции использован метод планирования эксперимента по Боксу-Бенкену с тремя факторами: продолжительность экстракции (60-120 мин), гидромодуль (1:10-1:30) и температура (50-70°C). В качестве откликов определяли антиоксидантную активность методом DPPH (АОА, %), содержание общих фенольных соединений методом Фолина-Чокалтеу (ОФС, мг ГК/г) и выход сухого вещества (СВ, %). Статистическая обработка данных проведена с построением математических моделей зависимости откликов от варьируемых факторов. Получены уравнения регрессии, описывающие зависимость антиоксидантной активности, содержания фенольных соединений и выхода сухого вещества от параметров экстракции. Установлено, что наибольшее влияние на все исследуемые отклики оказывает гидромодуль. Для антиоксидантной активности (Y1) и выхода сухого вещества (Y3) определяющими являются линейный и квадратичный члены гидромодуля. Содержание общих фенолов (Y2) зависит от продолжительности экстракции, гидромодуля и взаимодействия гидромодуля и температуры экстракции. Максимальная антиоксидантная активность (16,4%) и наибольший выход сухого вещества (3,05%) достигаются при продолжительности экстракции 120 мин, гидромодуле 1:10 и температуре 60°C. Методом планирования эксперимента по Боксу-Бенкену определены оптимальные параметры экстракции биологически активных веществ из корня солодки. Полученные математические модели позволяют прогнозировать качественные характеристики экстрактов в зависимости от условий процесса. Результаты исследования могут быть использованы для разработки технологии получения стандартизованных экстрактов солодки с заданными свойствами.
Солодка, экстракция, планирование эксперимента, бокс-бенкен, антиоксидантная активность, фенольные соединения, оптимизация
Короткий адрес: https://sciup.org/140314815
IDR: 140314815 | УДК: 615.322 | DOI: 10.20914/2310-1202-2026-1-169-175
Optimization of extraction parameters of biologically active substances from licorice root using the Box-Behnken experimental design method
Licorice root (Glycyrrhiza glabra L.) is a valuable medicinal raw material containing a complex of biologically active substances with antioxidant activity. Optimization of the extraction process allows to increase the efficiency of target components extraction. The aim of the study is to determine the optimal extraction parameters for maximum extraction of phenolic compounds and achieving high antioxidant activity of licorice root extracts. The Box-Behnken experimental design method with three factors was used to optimize the extraction process: extraction time (60-120 min), hydromodulus (1:10-1:30), and temperature (50-70°C). As responses, antioxidant activity was determined by DPPH method (FRSA, %), total phenolic content by Folin-Ciocalteu method (TPC, mg GAE/g), and dry matter yield (DM, %). Statistical data processing was performed with construction of mathematical models of response dependence on variable factors. Regression equations describing the dependence of antioxidant activity, phenolic content, and dry matter yield on extraction parameters were obtained. It was found that hydromodulus has the greatest influence on all studied responses. For antioxidant activity (Y1) and dry matter yield (Y3), the linear and quadratic terms of hydromodulus are determining. Total phenolic content (Y2) depends on extraction time, hydromodulus, and their interaction. Maximum antioxidant activity (16.4%) and highest dry matter yield (3.05%) are achieved at extraction time of 120 min, hydromodulus 1:10, and temperature 60°C. Optimal parameters for extraction of biologically active substances from licorice root were determined by experimental design method. The obtained mathematical models allow predicting qualitative characteristics of extracts depending on process conditions. The research results can be used for developing technology for obtaining standardized licorice extracts with specified properties.
Текст научной статьи Оптимизация параметров экстракции биологически активных веществ из корня солодки методом планирования эксперимента по Боксу—Бенкену
Корень солодки ( Glycyrrhiza glabra L .) широко применяется в фармацевтической и пищевой промышленности благодаря высокому содержанию биологически активных веществ, включая флавоноиды, сапонины и фенольные соединения [1, 2]. Антиоксидантные свойства экстрактов солодки обусловлены наличием поли-фенольных соединений, способных ингибировать свободнорадикальные процессы в организме [3, 4].
Эффективность экстракции биологически активных веществ из растительного сырья существенно зависит от технологических параметров процесса: продолжительности, температуры, соотношения сырье-экстрагент (гидромодуля) и других факторов [3, 5, 6]. Традиционные подходы к оптимизации, основанные на варьировании одного фактора при фиксированных значениях остальных, не позволяют учесть взаимодействие между параметрами и требуют значительных затрат времени и ресурсов [5].
Методы планирования эксперимента, включая дизайн Бокса-Бенкена, зарекомендовали себя как эффективный инструмент для оптимизации многофакторных процессов в фармацевтической технологии и технологии растительных экстрактов [3, 6, 7]. Применение методологии поверхности отклика (Response Surface Methodology, RSM) позволяет установить математические зависимости между варьируемыми факторами и целевыми показателями, определить оптимальные условия процесса и спрогнозировать свойства продукта [5, 7–9].
В литературе описаны различные подходы к оптимизации экстракции фенольных соединений из растительного сырья с использованием многофакторных экспериментальных дизайнов [8–10]. Однако для корня солодки комплексные исследования влияния параметров экстракции на антиоксидантную активность и выход биологически активных веществ представлены недостаточно [1–4]. Недостаточно изученными остаются вопросы количественной оценки влияния основных технологических параметров (продолжительность, температура, гидромодуль) на функциональные показатели качества экстрактов – антиоксидантную активность, содержание фенольных соединений и выход сухого вещества. Также отсутствуют математические модели, позволяющие спрогнозировать свойства экстракта корня солодки в зависимости от технологических параметров его получения.
Цель работы – определение оптимальных параметров процесса экстракции биологически активных веществ из корня солодки
( Glycyrrhiza glabra L .) методом планирования эксперимента по Боксу-Бенкену, а также установление математических зависимостей между технологическими факторами и показателями качества экстрактов.
Материалы и методы
В качестве объекта исследования использовали измельченные корни солодки голой Glycyrrhiza glabra L . (Россия, «Лесная линия», г. Чебоксары, ИП Азмуханов Э.Г.). Экстракция проводилась согласно ОФС 1.4.1.0021 питьевой водой (ГОСТ 32220–2013) [11, 12].
Для оптимизации параметров экстракции применяли метод Бокса-Бенкена с тремя факторами на трех уровнях [13]. В качестве независимых переменных (факторов) выбраны:
-
• х 1 – продолжительность экстракции (60, 90, 120 мин);
-
• х 2 – гидромодуль (1:10, 1:20, 1:30);
-
• х 3 – температура экстракции (50, 60, 70 °C).
В качестве откликов (зависимых переменных) определены показатели качества экстракта:
-
• Y 1 – антиоксидантная активность по методу DPPH (АОА, %);
-
• Y 2 – содержание общих фенольных соединений (ОФС, мг галловой кислоты / г сырья);
-
• Y 3 – выход сухого вещества (СВ, %).
План эксперимента включал 15 опытов, в том числе 3 повторения в центральной точке для оценки воспроизводимости результатов (таблица 1). Каждый из опытов повторялся трёхкратно.
Антиоксидантную активность (АОА) определяли спектрофотометрическим методом по способности экстрактов ингибировать стабильный радикал, используя 2,2 – дифенил-1-пикрил-гидразил (DPPH, Sigma-Aldrich США) [4]
Содержание общих фенольных соединений (ОФС) определяли спектрофотометрическим методом с реактивом Фолина-Чокалтеу (АО "ЛенРеактив", Россия) и построением калибровочной по галловой кислоте (Sigma-Aldrich, США) согласно ГОСТ Р ИСО 14502–1–2010 [14]. Содержание общих фенолов в экстрактах выражали в миллиграммах эквивалента галловой кислоты на 1 г сырья (мг ГК/г).
Выход сухих веществ (СВ) определяли гравиметрическим методом, высушивая аликвоты экстракта до постоянной массы при температуре 105 °C по ГОСТ 15113.4–2021 и выражали в процентах к массе исходного сырья [15].
Таблица 1.
План эксперимента по экстракции биологически активных веществ из корня солодки методом Бокса-Бенкена
Experiment plan for extracting biologically active substances from licorice root
using the Box-Benken method
Table 1.
|
Опыт Test |
Факторы Factors |
Продолжительность, мин Duration, min |
Гидромодуль Hydromodule |
Температура, °C Temperature, °C |
||
|
х 1 |
х 2 |
х 3 |
||||
|
1 |
0 |
0 |
0 |
90 |
1:20 |
60 |
|
2 |
0 |
0 |
0 |
90 |
1:20 |
60 |
|
3 |
0 |
0 |
0 |
90 |
1:20 |
60 |
|
4 |
0 |
1 |
1 |
90 |
1:30 |
70 |
|
5 |
0 |
-1 |
-1 |
90 |
1:10 |
50 |
|
6 |
0 |
1 |
-1 |
90 |
1:30 |
50 |
|
7 |
0 |
-1 |
1 |
90 |
1:10 |
70 |
|
8 |
-1 |
1 |
0 |
60 |
1:30 |
60 |
|
9 |
-1 |
-1 |
0 |
60 |
1:10 |
60 |
|
10 |
-1 |
0 |
1 |
60 |
1:20 |
70 |
|
11 |
-1 |
0 |
-1 |
60 |
1:20 |
50 |
|
12 |
1 |
-1 |
0 |
120 |
1:10 |
60 |
|
13 |
1 |
1 |
0 |
120 |
1:30 |
60 |
|
14 |
1 |
0 |
1 |
120 |
1:20 |
70 |
|
15 |
1 |
0 |
-1 |
120 |
1:20 |
50 |
Примечание: факторы: х 1 – продолжительность экстракции; х 2 – гидромодуль; х 3 – температура экстракции.
Кодированные значения факторов: -1 (нижний уровень), 0 (центральный уровень), +1 (верхний уровень).
Note: factors: х 1 – extraction duration; х 2 – hydromodule; х 3 – extraction temperature. Coded factor values: -1 (lower level), 0 (central level), +1 (upper level).
Статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом множественной регрессии с использованием полиномиальной модели второго порядка. Адекватность полученных моделей оценивали по коэффициенту детерминации (R²) и критерию Фишера. Статистически незначимые коэффициенты исключали из уравнений регрессии. Обработка произведена с помощью Python 3.12.12.
Результаты
По составленной матрице эксперимента по Боксу-Бенкену проведена серия экспериментов по экстракции биологически активных веществ из корня солодки. В каждом из полученных экстрактов определены антиоксидантная активность (АОА), содержание общих фенольных соединений (ОФС), выход сухих веществ (СВ). Результаты показателей отображены в таблице 2.
Таблица 2.
Результаты определения показателей качества в экстрактах корня солодки
Results of determining quality indicators in licorice root extracts
Table 2.
|
Опыт Test |
Факторы Factors |
Антиоксидантная активность (АОА), % Free radical scavenging activity (FRSA), % |
Общие фенольные соединения (ОФС), мг ГК/г Total phenolic compounds (TPC), mg GA/g |
Сухие вещества (СВ), % Dry matter (DM), % |
||
|
XI |
Х2 |
Х3 |
||||
|
1 |
0 |
0 |
0 |
2,5 |
10,05 |
1,4 |
|
2 |
0 |
0 |
0 |
2,3 |
9,85 |
1,45 |
|
3 |
0 |
0 |
0 |
2,4 |
10,1 |
1,35 |
|
4 |
0 |
1 |
1 |
2,1 |
11,45 |
1,05 |
|
5 |
0 |
-1 |
-1 |
13,5 |
6,02 |
2,75 |
|
6 |
0 |
1 |
-1 |
3,8 |
13,38 |
0,95 |
|
7 |
0 |
-1 |
1 |
9,2 |
8,82 |
2,4 |
|
8 |
-1 |
1 |
0 |
4,1 |
10,51 |
0,75 |
|
9 |
-1 |
-1 |
0 |
14,8 |
6,69 |
2,95 |
|
10 |
-1 |
0 |
1 |
8,9 |
8,08 |
1,25 |
|
11 |
-1 |
0 |
-1 |
6,6 |
8,32 |
1,1 |
|
12 |
1 |
-1 |
0 |
16,4 |
7,48 |
3,05 |
|
13 |
1 |
1 |
0 |
5,4 |
12,72 |
1,15 |
|
14 |
1 |
0 |
1 |
3,3 |
9,71 |
1,65 |
|
15 |
1 |
0 |
-1 |
4,8 |
8,69 |
1,35 |
Примечание: факторы: х 1 – продолжительность экстракции; х 2 – гидромодуль; х 3 – температура экстракции. Кодированные значения факторов: -1 (нижний уровень), 0 (центральный уровень), +1 (верхний уровень).
Note: factors: х 1 – extraction duration; х 2 – hydromodule; х 3 – extraction temperature. Coded factor values: -1 (lower level), 0 (central level), +1 (upper level).
На основе экспериментальных данных, представленных в таблице 2, методом множественной регрессии получены полиномиальные уравнения второго порядка, описывающие зависимость откликов от варьируемых факторов.
Полное уравнение регрессии для антиоксидантной активности (Y 1 ) представлено в формуле (1). После исключения статистически незначимых коэффициентов получено редуцированное уравнение (2).
Y = 2,4000 -0,5625 xl - 4,8125 x 2 - 0,6500 x 3 + + 3,2625 x 2 + 4,5125 x 2 2 + 0,2375 x 32 - (1)
-
- 0,0750 xx + 0,9500 xx + 0,6500 x2x3
Y = 2,40 - 4,79 x 2 + 3,21 x 2 + 4,46 x 2 2 (2)
где Y 1 - антиоксидантная активность, x i - продолжительность экстракции; X 2 - гидромодуль; х з - температура экстракции.
Анализ регрессии показывает, что антиоксидантная активность экстрактов солодки (Y 1 ) определяется исключительно гидромодулем (х 2 ). Отрицательный линейный коэффициент (-4,79) и положительный квадратичный коэффициент (+4,46) указывают на наличие экстремума - минимума антиоксидантной активности при средних значениях гидромодуля (1:20). Экспериментально максимальная антиоксидантная активность (16,4 %) достигнута при следующих условиях: продолжительность экстракции 120 мин, гидромодуль 1:10, температура 60 °C. Высокая антиоксидантная активность (14,20 %) также наблюдалась в опыте при продолжительности экстракции 60 мин, гидромодуле 1:10 и температуре 60 °C.
Таким образом, для достижения высокой антиоксидантной активности рекомендуется использовать минимальный гидромодуль (1:10), что обеспечивает более концентрированные экстракты. Температура экстракции в исследованном диапазоне не оказывает статистически значимого влияния на данный показатель.
Уравнение регрессии для содержания общих фенольных соединений (Y 2 ) представлено в формуле (3). После исключения статистически незначимых коэффициентов получено редуцированное уравнение (4).
Y = 10,00 + 0,63 x + 2,38 x 2 + 0,21 x 3 - - 0,93 x 2 + 0,28 x 2 2 - 0,37 x 3 2 + 0,36 xxx 2 + (3)
+ 0,32 xxx 3 -1,18 x2x3
Y = 10,00 + 0,63 x . + 2,38 x2 - 0,93 x .2 -
-
- 0,37 x 32 + 0,36 xx + 0,32 xx - 1,18 x2x3 где Y 2 - содержание общих фенольных соединений, х 1 - продолжительность экстракции; х 2 - гидромодуль; х 3 - температура экстракции.
Содержание общих фенольных соединений (Y 2 ) зависит от продолжительности экстракции (х 1 ), гидромодуля (х 2 ), а также температуры экстракции (х 3 ) и их взаимодействия согласно уравнению. Положительный коэффициент (+0,63) свидетельствует о том, что увеличение времени экстракции способствует более полному извлечению фенольных соединений. Положительный коэффициент (+2,38) указывает на благоприятное влияние увеличения гидромодуля (большего количества экстрагента). Отрицательный коэффициент взаимодействия (-1,18) свидетельствует о том, что эффект гидромодуля зависит от температуры: при высоких значениях обоих факторов содержание фенолов снижается. Экспериментально максимальное содержание фенольных соединений (13,38 мг ГК/г) было получено при продолжительности экстракции 90 мин, гидромодуле 1:30 и температуре 50 °C.
Полное уравнение регрессии для выхода сухого вещества (Y 3 ) представлено в формуле (5). После исключения статистически незначимых коэффициентов получено редуцированное уравнение (6).
Y = 1,40 + 0,14 x - 0,91 x 2 + 0,03 x 3 + + 0,06 x 2 + 0,51 x 2 2 - 0,13 x 3 2 + 0,08 xx 2 + (5)
+ 0,04 x j x 3 + 0,11 x2x3
Y = 1,40 -0,91 x 2 + 0,51 x 2 2 (6)
где Y 3 - выход сухого вещества, х 1 - продолжительность экстракции; х 2 - гидромодуль; х 3 - температура экстракции.
Выход сухого вещества (Y 3 ), аналогично антиоксидантной активности, определяется главным образом гидромодулем. Отрицательный линейный коэффициент (-0,91) и положительный квадратичный коэффициент (+0,51) также указывают на параболическую зависимость с минимумом при средних значениях гидромодуля. Экспериментально максимальный выход сухого вещества (3,05 %) был достигнут при продолжительности экстракции 120 мин, гидромодуле 1:10 и температуре 60 °C - тех же условиях, что обеспечили максимальную антиоксидантную активность. Высокий выход сухих веществ (2,95 %) также был получен при продолжительности экстракции 60 мин, гидромодуле 1:10, температуре 60 °C. Использование малого гидромодуля (1:10) приводит к получению более концентрированных экстрактов с высоким содержанием сухих веществ, что экономически выгодно для дальнейшей технологической переработки.
Анализ полученных математических моделей показывает, что оптимальные условия для различных целевых показателей совпадают не полностью. Для максимизации антиоксидантной активности и выхода сухого вещества: гидромодуль 1:10, продолжительность экстракции 120 мин, температура 60 °C, при этом максимизация содержания фенольных соединений происходит при гидромодуле 1:30, продолжительности экстракции 90 мин и температуре (50 °C).
Если приоритетом является получение экстрактов с высокой антиоксидантной активностью, что наиболее важно для фармацевтического применения, оптимальными можно считать следующие параметры: продолжительность экстракции 120 мин, гидромодуль: 1:10, температура: 60 °C. При указанных условиях прогнозируемые значения откликов составляют: антиоксидантная активность ≈ 15–16 %, содержание общих фенольных соединений ≈ 12 мг ГК/г, выход сухих веществ ≈ 3 %.
Обсуждение
Применение метода планирования эксперимента по Боксу-Бенкену позволило установить количественные зависимости между параметрами экстракции и показателями качества экстрактов корня солодки. Полученные результаты согласуются с общими закономерностями процессов экстракции растительного сырья.
Выявленное доминирующее влияние гидромодуля на антиоксидантную активность и выход сухого вещества объясняется тем, что при малом соотношении сырье-экстрагент создается более высокий градиент концентрации — движущая сила массопереноса, что способствует интенсификации процесса. Одновременно малый объем экстрагента приводит к получению более концентрированных растворов.
Положительное влияние времени экстракции на содержание фенольных соединений соответствует кинетике процесса массопере-носа: увеличение продолжительности контакта сырья с экстрагентом способствует более полному извлечению целевых компонентов. Однако отсутствие значимого влияния продолжительности экстракции на антиоксидантную активность может быть связано с тем, что наиболее активные антиоксиданты извлекаются уже на начальных стадиях процесса.
Взаимодействие гидромодуля и температуры (отрицательный коэффициент в уравнении 4) указывает на возможность термической деградации или окисления части фенольных соединений при высоких температурах в разбавленных экстрактах.
post@vestnik-vsuet.ru Заключение
Проведена оптимизация процесса извлечения биологически активных веществ из корня солодки методом планирования эксперимента по Боксу-Бенкену с тремя факторами (продолжительность экстракции, гидромодуль, температура). Полученные математические модели описывают зависимость антиоксидантной активности, содержания общих фенольных соединений и выхода сухих веществ от параметров экстракции, а также могут использоваться для прогнозирования свойств экстракта в зависимости от технологических параметров его получения.
Установлено, что наибольшее влияние на антиоксидантную активность и выход сухих веществ оказывает гидромодуль (соотношение сырье-экстрагент). Минимальный гидромодуль (1:10) обеспечивает максимальные значения этих показателей. Содержание общих фенольных соединений зависит от времени экстракции, гидромодуля и взаимодействия гидромодуля с температурой, при этом увеличение времени до 120 мин способствует более полному извлечению фенолов.
Определены оптимальные параметры экстракции для получения продуктов с максимальной антиоксидантной активностью: продолжительность экстракции 120 мин, гидромодуль 1:10, температура 60 °C. При данных условиях антиоксидантная активность составляет 16,4 %, содержание фенольных соединений – 7,48 мг ГК/г, выход сухого вещества – 3,05 %.
Полученные математические модели могут быть использованы для прогнозирования свойств экстрактов в исследованном диапазоне факторов. Однако для экстраполяции за пределы изученной области необходимы дополнительные эксперименты.
Практическая значимость результатов заключается в возможности целенаправленного управления процессом экстракции для получения стандартизованных экстрактов корня солодки с контролируемыми антиоксидантными свойствами и содержанием биологически активных веществ. Для фармацевтического применения рекомендуются условия, обеспечивающие максимальную антиоксидантную активность, тогда как для пищевой промышленности может быть предпочтительна максимизация содержания фенольных соединений.
Работа выполнена в рамках проекта НИРМА № 625108, Университет ИТМО.
