Повышение эффективности экстракции биологически активных веществ из растительного сырья методом ультразвукового воздействия

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.

Чрезвычайная ситуация с диетическими соединениями с преимуществами для здоровья – это прекрасная возможность улучшить общественное здравоохранение [11]. Несмотря на динамичное развитие нутрицевтики, физиологические функции биологически активных веществ еще не полностью раскрыты. Однако их добавление в пищевые матрицы признано в качестве фактора сохранения высокого потенциала для снижения риска заболеваний.

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 го- ды 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.

Эффективность продуктов нутрицевтики в профилактике заболеваний зависит от сохранения стабильности, биоактивности и биодоступности активных ингредиентов [14].

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 (Azmir и др., 2013).

Адаптогенами называют целую группу препаратов в фармакологии, действие которых направлено на повышение сопротивляемости организма воздействию вредных фак- торов физического, химического или биологического характера. Действующие вещества данных средств не предполагают непосредственное укрепление иммунитета в ходе приема лекарства, однако положительно воздействуют на жизнь клетки, улучшая работоспособность систем и повышая износостойкость организма в целом. Данное действие основывается на возможности тканей и органов дольше и положительнее переносить стрессовые реакции для адаптации организма [16-18].

Вид адаптогена определяется в зависимости от положения в его структуре основного действующего вещества, ее особенности, в свою очередь, определяют влияние на организм:

• •    адаптогены растительного происхождения (природные источники - женьшень, радиола розовая, лимонник, аралия, элеутерококк, имбирь и облепиха);

• •    адаптогены животного происхождения (экстракты, вытяжки, порошки, бальзамы и мази с костными тканями рогов марала, пятнистого оленя или кровью и секретами желез данных животных. В фармакологические формы также входят продукты пчеловодства, порошки из раковин морских обита-

• телей, вытяжки из свежих улиток, червей, пиявок и тому подобные компоненты);

• •    адаптогены из гуминовых веществ (данные адаптогены входят в органический состав почвенных, водных экосистем и твердых горючих ископаемых);

• •    минеральные адаптогены (мумие);

• •    адаптогены синтетического происхождения (вещество оксиэтиламмония метилфеноксиацетат или препарат «Трекрезан», структура молекул которого схожа с некоторыми молекулами человеческого организма и некоторых растений).

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, 4, 9, 12].

Все существующие способы экстрагирования классифицируют на: статические и динамические (рис. 1). В процессе их производ-

Рис. 1. Методы экстракции

ства 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 [10].

• 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 [20].

• 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

• 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 [10, 14, 19].

• 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 [10].

параметры, как давление, температура, время осуществления и растворимость [10].

Таким образом, 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 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 источников природных адап-тогенов было выбрано следующее растительное сырье:

– крапива двудомная ( Urtica folia L. ), содержит некоторые одно- и двухосновные карбоновые кислоты (муравьиную, масляную, щавелевую, янтарную, фумаровую), некоторые оксикислоты (молочную, лимонную, хинную, галловую). В траве присутствует аминокислоты, азотсодержащие соединения, эфирное масло в том числе метилгептенон, ацетофенон; стероиды – ситостерин; витамины: В1, В2, С, Е, К, РР, каротин; дубильные вещества, флавоноиды; кумарины, а также порфирины – протопорфирин, копропорфи-рин I; тритерпеновые вещества и лигнаны, макро- и микроэлементы, находящиеся в связанном состоянии, белки, клетчатку и пектиновые вещества. Существуют данные, что из надземной части крапивы двудомной выделили кофейную кислоту, рутин, кверцетин, гиперин, изокверцетин [10]. В листьях содержится большое количество различных водо- и жирорастворимых витаминов (В1, В2, пантотеновая кислота, аскорбиновая кислота – 200 мг %), биологически активных соединений (β-каротин – 50 мг %, хлорофилл, кумарины, флавонолы, алкалоиды – 0,19–0,29 % и др.), камедей, органических кислот, макро- и микроэлементов. В порошке сахаров – 5,3 %, жиров 3,3 %, крахмала – до 10 %, белков – 17–20 %. В состав белков входят незаменимые аминокислоты лизин, треонин, валин, лейцин, триптофан [2, 3, 5–7].

– овес районированный, сорт «Белозерный». Выведен Сибирским НИИ растениеводства и селекции и Уральским НИИ сельского хозяйства. Разновидность var. mutica. Белозерный, безостый, в отдельные годы наблюдается слабая остистость. Зерно промежуточного типа между толстоплодным и среднеплодным, средней крупности, масса 1000 зерен 32– 35 г, пленчатость от низкой до средней – 23– 28 %. Содержание белка в крупе 14–16 %

Наиболее примечательной является уникальная группа антиоксидантов под названием авентрамиды, которые почти исключительно встречаются у овса. Авентрамиды могут помочь снизить уровень артериального давления за счет увеличения производства оксида азота. Молекулы газа оксида азота помогают расширять кровеносные сосуды, что приводит к лучшему кровообращению. Кроме того, авентрамиды обладают противовоспалительным и противозудным действием [13].

В основу эксперимента были заложены следующие факторы экстракции: экстрагенты БАВ (вода и водно-спиртовой 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:

• а)    водное;

• б)    с добавлением спирта (20, 50 и 70 %);

• в)    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. Используемые инженерные решения защищены патентом РФ № 2141386.

Результаты и их обсуждение

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

Результаты оценки показали, что наибольшей АОА по отношению к контролю обладают образец экстракта Urtica folia L. (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 овса приведены в табл. 2.

Визуально результаты можно отразить в виде диаграммы (рис. 2).

Различные условия экстрагирования овса определяют разницу в экстрактивности и антиоксидантной активности экстрактов. Ультразвуковое воздействие на зерно в воде мощностью 120 Вт в течение 5 минут наиболее сильно активизирует выделение из овса 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.

Согласно исследованиям А. Яшина, Я. Яшина с коллегами основными антиоксидантами цельных зерен являются оксиарома-тические кислоты – производные бензойной и коричной кислот. В зернах овса и других зерновых обнаружены гидроксибензойные кислоты (галловая, салициловая, ванилиновая, сиреневая, протокатехиновая и n-гидро-ксибензойная), гидроксикоричные кислоты (феруловая, кофейная, о-, м-, и n – кумаро-вые, коричная, синаповая) [8, 21]. Оксиаро-матические кислоты в зернах находятся как в

Таблица 1

Результаты оценки экстрактов крапивы

Показатель	Наименование образца
	контроль	образец 1 (УЗ 5 мин/ 120 Вт)	образец 2 (УЗ 5 мин/ 240 Вт)	образец 3 (дистилляция)	образец 4 (спиртовой экстракт)
АОА, мг/мл	2,0773	2,4043	1,9748	1,9629	2,5209
Содержание экстрактивных веществ (ЭВ), %	66,66	60,90	67,29	69,09	32,38

Таблица 2

Результаты оценки экстрактов овса

Способ получения экстракта	Содержание экстрактивных веществ, %	АОА, мг/мл
Водный (контроль)	31,4480	0,69799
Водно-спиртовой 20 %	30,0546	0,685405
Водно-спиртовой 50 %	33,9890	1,478465
Водно-спиртовой 70 %	26,9672	1,643948
Обработка УЗ смеси (5 мин, 120 Вт)	75,1092	0,80018
Предварительная обработка воды (5 мин, 120 Вт)	46,9945	0,938377

^™ Содержание экстрактивных веществ, %   ■• ■ АОА,

Рис. 2. Результаты определения экстрактивности и АОА экстрактов из овса

свободном, так и связанном состоянии. Свободные оксиароматические кислоты в основном находятся во внешней оболочке и легко экстрагируются органическими растворителями [8].

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 %.

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.