Рациональные параметры ультразвуковой экстракции биоактивных веществ из зверобоя

Зверобой ( Hypericum perforatum L .) – одно из наиболее изученных лекарственных растений, широко применяемое в традиционной и современной медицине благодаря своим антидепрессивным, противовоспалительным, антимикробным и антиоксидантным свойствам [1].

Основными биологически активными веществами зверобоя являются флавоноиды, нафтодиантроны, флороглюцины, дубильные вещества, эфирное масло [2].

Для извлечения этих соединений из растительного сырья используются различные методы экстракции, среди которых ультразвуковая экстракция (УЗЭ) зарекомендовала себя как эффективный и экономически выгодный способ.

Ультразвуковая экстракция основана на явлении кавитации, которое возникает под действием ультразвуковых волн. Кавитационные пузырьки, образующиеся в растворителе, разрушают клеточные стенки растительного материала, что способствует более интенсивному выделению целевых соединений. Преимуществами ультразвуковой экстракции являются сокращение времени экстракции, снижение расхода растворителя и повышение выхода биологически активных веществ [3–6].

Результаты и обсуждение

Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс экстракции зверобоя с применением ультразвука, применяются математические методы планирования эксперимента [7, 8].

Математическое описание данного процесса получено эмпирически. При этом его математическая модель имеет вид уравнения регрессии, найденного статистическими методами на основе экспериментов. Математическая модель изучаемого процесса представлена в виде полинома второй степени [7, 8]

n nn y = ь + уьх, +У bux2 YbXX „ 0 i i ii i ij i j i=1 i=1 i < j где bo – свободный член уравнения, равный средней величине отклика при условии, что рассматриваемые факторы находятся на средних, «нулевых», уровнях; X – масштабированные значения факторов, которые определяют функцию отклика и поддаются варьированию; bij – коэффициенты двухфакторных взаимодействий, показывающие, насколько изменяется степень влияния одного фактора при изменении величины другого; bii – коэффициенты квадратичных эффектов, определяющие нелинейность выходного параметра от рассматриваемых факторов; i, j – индексы факторов; n – число факторов в матрице планирования.

Выбираем следующие основные факторы, влияющие на процесс экстракции зверобоя с применением ультразвука: Хi - температура экстрагента (воды), °С, Х2 - гидромодуль, X3 – время экспозиции, мин.

Все эти факторы не коррелируемы между собой. Пределы изменения исследуемых факторов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Пределы изменения входных факторов

Table 1.

Limits of change in input factors

Условия планирования Planning conditions	Код. значение Coded value	начения факторов в точках плана Values of factors in the points of the plan
		Х 1	Х 2	Х 3
		t, °С	ГМ, г/см3	τ, мин.
Основной уровень Basic level	0	60	1:15	15
Интервал варьирования Variation interval	Δ	13	6	7
Верхний уровень Top level	+1	73	1:21	22
Нижний уровень Lower level	-1	47	1:9	8
Верхняя «звездная» точка Top "star" point	+1,681	82	1:25	27
Нижняя «звездная» точка Low "star" point	-1,681	38	1:5	3

Выбор интервалов изменения входных факторов обусловлен технологическими условиями процесса экстракции зверобоя с применением ультразвука, а также технико-экономическими показателями процесса [5, 10–12].

Критериями оценки влияния входных факторов на процесс экстрагирования являются: Y 1 – выход сухих веществ, отнесенный на 1 кг зверобоя, г/кг; Y 2 – антиоксидантная активность извлеченных веществ отнесенная к объему экстрагента, мг/дм³.

Выбор критериев оценки Y обусловлен их наибольшей значимостью для процесса экстракции зверобоя с применением ультразвука. Так, Y 1 определяет количество сухих веществ, которые остаются после удаления воды из экстракта, и позволяет судить о концентрации биологически активных веществ (БАВ) и других полезных соединений, содержащихся в растении, Y 2 определяет биологическую ценность полученного экстракта. Программа исследования была заложена в матрицу планирования эксперимента.

Для исследования применяем центральное композиционное ротатабельное униформпланирование и полный факторный эксперимент ПФЭ 23. Число опытов в матрице планирования для трех входных параметров равно 20. Порядок опытов рандомизировали посредством таблицы случайных чисел, что исключает влияние неконтролируемых параметров на результаты эксперимента. При их обработке применяем следующие статистические критерии: Кохрена, Стьюдента, Фишера [7, 8]. В результате получаем нелинейные уравнения регрессии, описывающие данный процесс:

Y = 51,6 + 3,20 • X + 3,09 • X ₂ + 2,6 • X ₃ - 0,2655 • XX - 0,2172 • X X ₃ -

- 0,2267 • X₂ X - 1,80 • X 2 - 1,06 • X 2² - 1,10 • X²

Y ₂ = 332,64 - 57,69 • X + 11,04 • X ₂ - 4,83 • X ₃ + 2,18 • XX - 0,9586 • X X ₃ +

+ 0,2208 • X₂ X ₃ + 15,32 • X ² - 2,92 • X ² - 11,0b X 2

Анализ уравнений регрессии (1) и (2) позволяет выделить факторы, влияющие на рассматриваемый процесс. На критерии оценки наибольшее влияние оказывает температура экстрагента, наименьшее – время экспозиции. Причем знак «плюс» перед коэффициентом при линейных членах указывает на то, что при увеличении входного параметра значение выходного параметра увеличивается.

Степень влияния параметров относительно друг друга в уравнении (1): b 1 : b 2 = 1,036; b 1 : b 3 = 1,231; b 2 : b 3 = 1,188.

Степень влияния параметров относительно друг друга в уравнении (2): b 1 : b 2 = 5,226; b 1 : b 3 = 11,944; b 2 : b 3 = 2,286.

Полученные уравнения нелинейные.

В результате выполнения 20 опытов получена информация о влиянии факторов и построена математическая модель процесса, позволяющая рассчитать выход сухих веществ и антиоксидантную активность извлеченных веществ внутри выбранных интервалов варьирования входных факторов.

На рисунках 1–3 показаны кривые равных значений выходных параметров, которые несут смысл номограмм и представляют практический интерес.

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90

Х1, °C

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90

Х1, °C

Рисунок 1. Номограмма для определения выхода сухих веществ (г/кг) и антиоксидантной активности (мг/дм3) в зависимости от температуры экстрагента и гидромодуля

Y1, г/кг

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90

Figure 1. Nomogram for determining the output of dry matter (g/kg) and antioxidant activity (mg/dm ³ ) depending on the temperature of the extractant and the hydraulic module

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90

• Х1, °C                                                                                                   Х1, °C

Рисунок 2. Номограмма для определения выхода сухих веществ (г/кг) и антиоксидантной активности (мг/дм ³ ) от температуры экстрагента и времени экспозиции

Figure 2. Nomogram for determining the output of dry matter (g/kg) and antioxidant activity (mg/dm ³ ) depending on the temperature of the extractant and the exposure time

Y1, г/кг

Y2, мг/дм^3

1/Х2, г/см^3                                                                                  1/Х2, г/см^3

Рисунок 3. Номограмма для определения выхода сухих веществ (г/кг) и антиоксидантной активности (мг/дм ³ ) от гидромодуля и времени экспозиции

Figure 3. Nomogram for determining the output of dry matter (g/kg) and antioxidant activity (mg/dm ³ ) depending on the hydraulic module and the exposure time

Задача оптимизации сформулирована следующим образом: найти такие режимы, которые бы в широком диапазоне изменения входных параметров процесса экстракции доставляли максимальный выход сухих веществ и актиоксидатную активность [8]. На рисунках 4, 5 представлены зависимости выхода сухих веществ и антиоксидатной активности экстракта от входных параметров. Общая математическая постановка задачи оптимизации представлена в виде следующей модели:

q = q ( Y i , Y D   ^ D >  °pt;

D : Y i (X i , X₂,X ₃)   — D > max

^Y ₂ ^{( X} 1 , ^X 2 , ^X 3 )-- ^— D >  max •

Y >  0, i = U X j < [ - 2;2 ] , j = 1,3

Рисунок 4. Зависимость выхода сухих веществ от входных параметров

Figure 4. Dependence of the dry matter output on the input parameters

Рисунок 5. Зависимость выхода антиоксидантов от входных параметров

Figure 5. Dependence of antioxidant yield on input parameters

Согласно критерию оптимизации для принятия окончательного решения по выбору оптимальных режимов исследуемого процесса была решена компромиссная задача (таблица 2).

С помощью программы для ЭВМ были найдено 36 возможных решений нахождения оптимальных значений Y 1 и Y 2 . В результате были получены рациональные интервалы изменения параметров (таблица 3).

Таблица 2.

Оптимальные интервалы параметров

Table 2.

Optimal parameter intervals

	Цель Target	Нижний предел Lower limit	Верхний предел Upper limit
X 1 , °С	[-1; 1]	47	73
X 2 , г/см3	[-1; 1]	9	21
X 3 , мин.	[-1; 1]	8	22
Y 1	Мах	35,924	55,771
Y 2	Мах	225,729	464,135

Таблица 3.

Результаты оптимизации

Table 3.

Optimization results

Х 1 , °С	Х 2 , г/см3	Х 3 , мин.	Y 1 , г/кг	Y 2 , мг/дм3
47–50,8	1:19,8– 1:21	14,7– 21,6	49,362– 50,5	387,89– 410,50

Для получения экстракта зверобоя в промышленности предложен прямоточный экстрактор, который позволяет не только ускорить процесс экстрагирования, но и сохранить биологическую ценность экстракта.

Прямоточный экстрактор (рисунок 6) работает следующим образом. В загрузочный бункер 5 непрерывно подается предварительно измельченный зверобой, который с помощью питателя 6 направляется через загрузочное отверстие 2 в камеру предварительной экстракции 12 горизонтального корпуса 1 . Одновременно в камеру 12 поступает экстрагент (горячая вода) через отверстия, расположенные по всей длине

Далее смесь измельченного зверобоя и экстрагента перемещается по длине экстрактора и поступает через прутья 11 , выполняющих роль перегородки, в камеру экстракции с ультразвуком 13 , где смесь перемешивается лопатками 15 , закрепленными на полом валу 14 . В эту же камеру дополнительно подается экстрагент (горячая вода) через отверстия, расположенные по всей длине полого вала 14 в камере 13 и одновременно смесь подвергается воздействию ультразвука с помощью источника ультразвука 17 для более эффективного извлечения экстрактивных веществ из зверобоя.

После этого смесь конусным шнеком 16 направляется в зону перфорированного участка 4 , где происходит постепенный отжим жидкой фракции (экстракта) через отверстия в полом сборнике 7 по мере продвижения продукта по длине экстрактора. Полученный готовый экстракт выводится из сборника 7 через патрубок 21 , а твердая фракция (жом зверобоя) через разгрузочное отверстие 3 .

Для поддержания необходимой температуры в рабочей зоне экстрактора и более интенсивного проведения процесса экстракции предусмотрена паровая рубашка 18 в которую через патрубок 19 подается водяной пар, а отвод его конденсата осуществляется через патрубок 20 [13].

Трава зверобоя

Водяной пар

А

4       16

А-А      14    18

Экстрагент (горячая вода)

Жом травы зверобоя

Экстракт Конденсат

водяного пара

Рисунок 6. Прямоточный экстрактор: 1 – горизонтальный корпус; 2 – загрузочное отверстие; 3 – разгрузочное отверстие; 4 – перфорированный участок; 5 – загрузочный бункер; 6 – питатель; 7 – полый сборник; 8 – привод; 9 – полый шнек; 10 – винтовая навивка; 11 – прутья; 12 – камера предварительной экстракции; 13 – камера экстракции с УЗ; 14 – полый вал; 15 – лопатки; 16 – конусный шнек; 17 – источник УЗ; 18 – паровая рубашка; 19 – патрубок подачи водяного пара; 20 – патрубок отвода конденсата водяного пара; 21 – патрубок отвода экстракта; 22 – привод; 23 – электродвигатель; 25 – клиноременная передача; 25 – зубчатая передача

Figure 6. Direct-flow extractor: 1 – horizontal body; 2 – loading opening; 3 – discharge opening; 4 – perforated section; 5 – loading hopper; 6 – feeder; 7 – hollow collector; 8 – drive; 9 – hollow auger; 10 – helical winding; 11 – bars; 12 – pre–extraction chamber; 13 – extraction chamber with UZ; 14 – hollow shaft; 15 – blades; 16 – cone screw; 17 – ultrasonic source; 18 – steam jacket; 19 – water steam supply pipe; 20 – water steam condensate outlet pipe; 21 – extract outlet pipe; 22 – drive; 23 – electric motor; 25 – V–belt transmission; 25 – gear transmission

Заключение

На основании проведенных экспериментальных и расчетных исследований определены рациональные параметры ультразвуковой экстракции зверобоя (Hypericum perforatum), включающие оптимальные значения температуры экстрагента, гидромодуля и времени обработки. Применение этих параметров обеспечивает максимальный выход биологически активных соединений (флавоноидов, нафтодиантронов, фенольных соединений) при минимальных затратах энергии и времени, что повышает эффективность производственного процесса.

Разработанный прямоточный экстрактор с интегрированным ультразвуковым воздействием обеспечивает непрерывную подачу сырья и экстрагента, равномерное распределение акустической энергии по объему смеси и сохранение биологической активности целевых веществ.

Интенсификация процесса экстракции позволяет получить экстракты с высокой концентрацией действующих веществ, что особенно важно для фармацевтического и пищевого применения.

Конструкция экстрактора направлена на улучшение качества экстракционных процессов за счёт повышения скорости извлечения и сокращения расхода растворителя. Ультразвуковая экстракция подтверждает свою эффективность как современный и экологически безопасный метод переработки растительного сырья.

Полученные экстракты зверобоя могут использоваться в производстве лекарственных средств, фиточаев, биологически активных добавок и натуральной косметики.

Результаты исследования могут быть применены для промышленного масштабирования и внедрения в линии по выпуску растительных экстрактов нового поколения.