Оптимизация получения биологически активных веществ водно-спиртовых экстрактов коры осины

Актуальность работы заключается в разработке эффективных методов рационального использования коры и определения оптимального режима извлечения ценных биологически активных веществ из водноспиртовых экстрактов коры осины.

Цель исследований – оптимизация процесса получения биологически активных веществ из водноспиртовых экстрактов коры осины.

Материалы и методы исследований. Материалом исследования служила кора осины, заготовленная в сентябре 2011 года в Емельяновском районе Красноярского края. Отбор проб производили методом квартования и измельчали в шнековом измельчителе до 3–5 мм. Сырье анализировали на влажность и зольность. Влажность – методом высушивания, зольность – путем сжигания в муфельной печи до постоянной массы [5]. Золу исследовали на наличие тяжелых металлов на спектрометре «Спектроскан». По интенсивностям аналитических линий и сравнения их со стандартом определяли концентрацию тяжелых металлов [6]. Суммарное количество спирторастворимых веществ находили по убыли массы абсолютно сухого сырья (а.с.с.). В качестве экстрагента использовали 40–60 % этанол. Содержание индивидуальных вещества водно-спиртовых экстрактов коры осины определяли по общепринятым методикам [4]. Анализ сырья осуществляли при двух параллельных определениях с соблюдением сходимости результатов. Рассчитывали ошибку среднего арифметического с учетом задаваемой доверительной вероятности и числа парал л ельных определений, используя для этой цели критерий Стьюдента. Среднее арифметическое значение X определяли по формуле

n

X = Z X , i=1 n

где X ₁ – результаты i-го опыта;

n – количество опытов.

Среднеквадратическое отклонение S x рассчитывали по формуле

Sx = J;-1 •§(Xi -X)2.                           (2)

Интервал доверительной вероятности определяли уравнением

X - t 0,05 ■ S x < V <  X + 1 005 ■ S x ,                                (3)

где t – критерий Стьюдента, при доверительной вероятности 95 % и числе опытов n=2, t = 12,71.

Оптимизацию процесса осуществляли методом нелинейного программирования и решением системы уравнений регрессии и наложением экстремума параметра оптимизации при соблюдении ограничений, накладываемых на остальные параметры. В качестве выходного параметра оптимизации было выбрано содержание экстрактивных веществ, % от массы исходной коры. Для получения оптимального режима выделения экстрактивных веществ из коры осины была составлена матрица планирования эксперимента. Для определения влияния каждого фактора на выход экстрактивных веществ и построения поверхности отклика был использован план Бокса-Бенкена 2-го порядка и пакет прикладных программ STATISTICA 6.0 [6].

Результаты исследований и их обсуждение . Проведенные исследования показали, что в водноспиртовых экстрактах коры осины присутствуют дубильные вещества (танниды от 11,5 до 14,5 %,) полифе-нольные (гликозиды – 0,71–0,84 %), флавоноиды – 0,33–0,43 %, пигменты: хлорофиллы от 0,63 до 0,74 %; каротиноиды (от 0,52 до 0,55 %). Эти данные представлены в таблице 1.

Таблица 1

Содержание экстрактивных веществ коры осины, произрастающей в Емельяновском районе Красноярского края, % на а.с.с.

Компонент	40 % водно-спиртовой экстракт	60 % водно-спиртовой экстракт
Сумма экстрактивных веществ	22,0 ± 0,5	30,0 ± 0,4
Танниды Полифенольные гликозиды	17,0± 0,5 0,71 ± 0,03	18,0± 0,5 0,84± 0,04
Флавоноиды	0,33 ± 0,01	0,43± 0,03
Пигменты: хлорофиллы каротиноиды	0,74 ± 0,01 0,55 ± 0,02	0,63± 0,03 0,52± 0,02

Для получения оптимального режима выделения экстрактивных веществ из коры осины была составлена матрица планирования эксперимента. Для определения влияния каждого фактора на выход экстрактивных веществ был использован план Бокса-Бенкена 2-го порядка.

В качестве независимых переменных были выбраны: Х 1 – продолжительность экстракции, ч; Х 2 – концентрация этанола в смеси; Х 3 – гидромодуль; У 1 – выход полифенольных гликозидов. Концентрацию этанола в смеси спирт-вода варьировали 60 ± 20 %. Процесс экстракции осуществляли при кипении растворителя при атмосферном давлении, гидромодуль выдерживали 20 ± 10. Продолжительность экстракции согласно предварительным исследованиям выбрали от 3 до 5 ч с шагом варьирования 1 ч. Характеристика плана 2-го порядка приведена в таблице 2.

Матрица планирования эксперимента

Таблица 2

Характеристика плана	Переменный фактор
	Продолжительность процесса Х 1 , ч	Концентрация этанола Х 2 , % об.	Гидромодуль Х 3
Основной уровень	4	60	15
Шаг варьирования	1	20	5
Верхний уровень, Х 1 + (+1)	5	80	20
Нижний уровень, Х 1 - (-1)	3	40	10

На основании результатов реализации матрицы планирования эксперимента были получены уравнения регрессии и определен оптимальный режим проведения экстракции коры осины с выделением максимального количество экстрактивных веществ. Уравнения регрессии имеют следующий вид:

• -    для простых фенолов (гликозидов)

У 1 = 9,2 – 3,00 ·Х 1 +2,01· Х 2 +8,21 Х 3 +4,81· Х² 1 - 1,15· Х 1 ·Х 2 -2,55· Х 1 ·Х 3 - 0,11· Х² 2 - 0,13 Х 2 ·Х 3 +2,96· Х² 3 ;

• -    для экстрактивных веществ

• У 2 = 38,4 +1,69·Х 1 +2,75 Х 2 +1,15· Х 3 – 1,62 Х² 1 - 9,13 Х 1 ·Х 2 – 3,75· Х 1 ·Х 3 + 2,25· Х² 2 - 5,62 ·Х 2 · Х 3 - 8,63· Х² 3 .

Полученные математические модели оказались адекватными изучаемым процессам при доверительной вероятности 95 %. Оптимальные значения параметров для максимального извлечения экстрактивных веществ: концентрация этилового спирта – 65 %; продолжительность процесса – 3,5 ч, гидромодуль – 15. Суммарное количество экстрактивных веществ У 2 =32,0 %, что согласуется с экспериментальными данными (31,5 %). Количество простых фенолов давали на примере гликозидов, по основному уровню получилось У 1 =0,86 %, что согласуется с экспериментальными данными (0,9 %). В оптимальном режиме был получен экстракт коры осины. Его характеристики удовлетворяют требованиям ТУ 9377-162-20680882-10. «Сырье для производства биологически активных добавок «Экстракт коры осины «густой». Сравнительная характеристика полученного экстракта и требований ТУ представлена в таблице 3 [7].

Сравнительная характеристика экстракта коры осины

Таблица 3

Показатель	Характеристика опытного образца, % на а.с.с.	Требования ТУ 9377-162-20680882-10
Сумма экстрактивных веществ, % на а.с.с.	32,0	Не регламентируется
Содержание дубильных веществ в пересчете на танин, %	17,5	Не менее 8,0
*Содержание простых фенолов (гликозидов) в пересчете на салицин, %	0,9	Не менее 0,5
*Содержание флавоноидов на лютеолин, %	0,43	Не менее 0,05
Содержание хлорофиллов, мг/% (а+б), % на а.с.с.	0,63	Не регламентируется
Содержание каротиноидов, % на а.с.с.	0,52	Не регламентируется
Содержание токсичных элементов, мг/кг а.с.с.
Свинец	Отсутствует	Не более 5,0
Кадмий	Отсутствует	Не более 1,0
Ртуть	Отсутствует	Не более 1,0
Мышьяк	Отсутствует	Не более 3,0
Медь	27	Не регламентируется
Железо	70	Не регламентируется
Цинк	157	Не регламентируется
Марганец	100	Не регламентируется

* по ТУ 9369-018-20680882-06 «Экорсол» Биологически активная добавка к пище».

Выводы

В процессе исследований была реализована матрица планирования эксперимента и получены математические модели процесса экстракции коры осины с выделением экстрактивных веществ. Полученные математические модели оказались адекватными изучаемым процессам при доверительной вероятности 0,95. В оптимальном режиме получен экстракт коры осины соответствующий требования ТУ 9377-16220680882-10 «Сырье для производства биологически активных добавок «Экстракт коры осины «густой». Результаты работы после соответствующей санитарно-токсикологической экспертизы могут использоваться для получения БАД.