Разработка технологии сбора, заготовки травы Linum pallescens и Linum heterosepalum

МРНТИ: 76.31.31                                 

Виды растений рода лён являются древнейшими культурными растениями и относятся к семейству льновых ( Linaceae Dumort.), к класcу двудольных ( Magnoliopsida ). Семейство льновых насчитывает 9 родов и 274 видов по классификации APG IV (Angiosperm Phylogeny Group IV system of flowering plant classification). На территории СНГ произрастает 45, а на территории Республики Казахстан встречается 13 видов растений рода лён [1]. Льняное семя содержит ценное количество жирных кислот, таких как олеиновая кислота, стеариновая кислота, α-линоленовая кислота, линолевая кислота, пальмитиновая кислота, белки, пищевые волокна, лигнаны (арилнафталиновые: юстицидин В и изоюстицидин В; арилтетралиновые лигнаны:

подофиллотоксин; секоизоларициресинол диглюкозид), витамины и микроэлементы [2-4].

Льняное масло является одним из богатейших источников полиненасыщенных омега-3 жирных кислот растительного происхождения и применяется при лечении различных заболеваний таких как рак, диабет, заболевания сердечнососудистой системы [5-7].

В результате литературного обзора было выявлено, что Казахстанские виды растений рода льна мало изучены и перспективны для дальнейших исследований по определению химического состава, фармакологических действий для разработки растительных лекарственных средств. Таким образом, растения рода Linum можно рассматривать как потенциальный источник биологически важных метаболитов.

Правильный сбор и заготовка лекарственного растительного сырья являются ключевыми этапами, определяющими его качество и сохранность биологически активных соединений.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являлись трава отечественных лекарственных растений рода Linum L. – лен бледноцветный ( Linum pallescens Bunge.) и лен разночашелистиковый ( Linum heterosepalum Regel.).

Разработка рациональной технологии конвективной сушки растительного сырья (трава и семена растений Linum pallescens, Linum heterosepalum ) была проведена с использованием программного обеспечения Minitab Statistical Software 21 и инструмента дизайна экспериментов (DoE). В качестве независимых переменных (факторов, X) для анализа были выбраны температура и время сушки, а в качестве зависимой переменной (отклика, Y) – показатель «потеря в массе при высушивании», отражающий эффективность процесса обезвоживания.

Результаты и их обсуждение

Заготовку травы Linum pallescens и Linum heterosepalum проводили в соответствии с требованиями надлежащей практики культивирования и сбора лекарственных растений (GACP) и внутренними стандартными операционными процедурами [8]. Сырье собирали в Алматинской области, на подгорной равнине Джунгарского Алатау в период массового цветения растений (июнь–июль). Видовая идентификация образцов подтверждена специалистами РГП на ПХВ «Институт ботаники и фитоинтродукции» Республики Казахстан. Сбор проводили вручную в сухую солнечную погоду в утренние часы (с 9:00 до 11:00), после испарения росы. Надземную часть срезали секатором на высоте 5–10 см от поверхности почвы, избегая повреждения корневой системы. Сырье помещали в сетчатые проветриваемые мешки, защищённые от влаги и загрязнений, и транспортировали к месту первичной обработки. Плоды льна (коробочки) собирали в сухую погоду в утренние часы, в фазе полной зрелости (август– сентябрь). Коробочки помещали в проветриваемую тару, предотвращающую накопление влаги и попадание посторонних примесей. Первичную обработку проводили вручную: семена отделяли от коробочек и удаляли посторонние примеси, повреждённые и недоразвитые экземпляры. Отобранное сырьё проверяли визуально на однородность и органолептические показатели (цвет, запах, отсутствие признаков плесени и вредителей).

После проведения заготовки и подготовки сырья следующим этапом является его сушка. На сегодняшний день традиционным методом получения высушенного лекарственного растительного сырья является естественная сушка в тени, которая широко применяется при работе с растениями, содержащими фенольные соединения, полисахариды и другие термолабильные вещества. Данный способ позволяет сохранить морфологические признаки и основные качественные характеристики сырья, что подтверждено полученными результатами. Однако, несмотря на удовлетворительное качество высушенного материала, процесс отличается значительной продолжительностью и зависит от внешних условий (температуры, влажности воздуха, скорости движения воздуха).

С целью оптимизации процесса и сокращения его продолжительности рассматривается использование конвекционной сушки в сушильных шкафах, позволяющей более точно регулировать температуру, скорость воздушного потока и другие параметры, влияющие на качество конечного продукта. Для обоснованного выбора оптимальных условий сушки была применена методология планирования экспериментов (Design of Experiments, DoE), основанная на концепции «Качество через проектирование» (Quality by Design, QbD), что обеспечивает системный подход к исследованию критических параметров процесса и их влияния на качество растительного сырья [9-11]. В рамках данного подхода подбираются значения критических параметров процесса, которые анализируются для установления их оптимальных диапазонов. На основании результатов формируются математические модели, позволяющие прогнозировать исходы экспериментов и определять условия, обеспечивающие стабильное качество продукции.

Использование DoE в фармацевтических исследованиях дает возможность сократить количество испытаний по сравнению с традиционным методом «один фактор за раз» и получить более полное понимание взаимосвязей между процессом и показателями качества [12].

Конвективная сушка

Сушка травы. Собранную траву льна бледноцветного (Linum pallescens Bunge.) и льна разночашелистикового (Linum heterosepalum Regel.) сушили в конвекционном сушильном шкафу (ШС-80, Россия) при скорости циркуляции воздуха 0,8-1,0 м/с. Температурный режим составлял 40-45 °С, продолжительность сушки – 6-8 часов. Сырьё раскладывали на перфорированные поддоны или сетчатые лотки тонким и рыхлым слоем толщиной 3-5 см, обеспечивая равномерное распределение материала. Для предотвращения слёживания и ускорения обезвоживания сырьё периодически перемешивали.

Сушка семян. Семена льна сушили в тех же условиях циркуляции воздуха (0,8-1,0 м/с) при температуре 45-50 °С в течение 8-10 часов. Сырьё распределяли тонким слоем (до 2 см) на сетчатые лотки, обеспечивающие равномерную циркуляцию воздуха. В процессе сушки семена перемешивались через равные промежутки времени для исключения перегрева и равномерного обезвоживания.

Планирование эксперимента

Диапазоны варьирования параметров конвективной сушки были определены на основании литературных данных, согласно которым для различных видов лекарственного растительного сырья, включая растения рода Linum, применяются различные температурные и временные режимы. При этом ключевым требованием является недопущение превышения температуры самого материала: для трав – не более 45-50 °C, для семян – не выше 55 °C, что обеспечивает сохранение биологически активных соединений и предотвращает ухудшение органолептических характеристик [13-16]. Были выбраны две независимые переменные (фактора – X): температура и время сушки. Значения факторов были установлены в диапазоне: для травы – температура сушки 30-60 °C, время сушки 1,5-11 ч; для семян – температура сушки 30-70 °C, время сушки 2-18 ч. В качестве зависимой переменной (отклика – Y) выбран показатель «потеря в массе при высушивании, (%)», отражающий влияние исследуемых параметров на эффективность процесса. С помощью программного обеспечения построено проектное поле, демонстрирующее 31 модель режимов сушки травы и отдельно семян Linum pallescens и Linum heterosepalum.

На основе введённых параметров построены два проектных поля – для травы и для семян, включающие совокупность модельных режимов, которые в дальнейшем легли в основу статистического анализа. Построенные модели определили в программе Minitab необходимое число экспериментов (13) с заданными параметрами, все эксперименты были выполнены, а результаты зафиксированы в таблицах 1 и 2. В графы были внесены данные показателя «потеря в массе при высушивании», полученные в ходе проведения экспериментов. Применение методики DoE с последующей статистической обработкой позволило выявить взаимосвязь технологических параметров между собой и с показателем качества, а также определить оптимальные диапазоны условий конвективной сушки для исследуемого сырья.

Таблица 1. Результаты исследования модели DoE по показателю качества «Потеря в массе при высушивании» травы Linum pallescens и Linum heterosepalum при конвективной сушке

RunOrder	X		Y
	Температура, С	Время, ч	Потеря в массе при высуш., %
1	30,0000	11,0000	11,0
2	60,0000	1,5000	14,0
3	45,0000	7,0000	7,0
4	40,0000	8,0000	7,3
5	23,7868	6,2500	28,4
6	66,2132	6,2500	2,9
7	45,0000	0,4675	18,7
8	45,0000	12,9675	3,4
9	35,0000	9,0000	10,3
10	40,0000	7,5000	8,6
11	45,0000	6,0000	8,4
12	50,0000	4,5000	7,8
13	55,0000	3,0000	7,4

Таблица 2. Результаты исследования модели DoE по показателю качества «Потеря в массе при высушивании» семян Linum pallescens и Linum heterosepalum при конвективной сушке

RunOrder	Температура, С	Время, ч	Потеря в массе при высуш., %
1	30,0000	18,0000	15,7
2	70,0000	2,0000	7,1
3	35,0000	15,0000	12,8
4	40,0000	12,0000	11,2
5	21,7157	10,0000	27,9
6	78,2843	10,0000	2,6
7	50,0000	1,3137	19,8
8	50,0000	21,3137	6,2
9	45,0000	10,0000	9,1
10	50,0000	8,5000	8,7
11	55,0000	7,0000	7,9
12	60,0000	5,0000	7,2
13	65,0000	3,5000	6,4

В результате статистической обработки экспериментальных данных в программе Minitab была построена диаграмма Парето, позволяющая выделить наиболее значимые входные факторы, оказывающие определяющее влияние на выходной показатель. Согласно принципу Парето, около 20 % факторов формируют до 80 % совокупного эффекта, включая возможное влияние их взаимодействий. На рисунках 1 и 2 представлены результаты анализа, из которых следует, что ключевыми параметрами, оказывающими наибольшее влияние на показатель «потеря в массе при высушивании» как для травы, так и для семян, являются температура сушки (фактор А) и время сушки (фактор B).

Pareto Chart of the Standardized Effects (response is Потеря в массе при высуш., %; а = 0,05)

Name Температура. С Время, ч

Рисунок 1. Диаграмма Парето - взаимосвязь технологических параметров «температура сушки» и «время сушки» с показателем качества «потеря в массе при высушивании» в траве Linum pallescens и Linum heterosepalum

Рисунок 2. Диаграмма Парето - взаимосвязь технологических параметров «температура сушки» и «время сушки» с показателем качества «потеря в массе при высушивании» в семенах Linum pallescens и Linum heterosepalum

Представленный подход обеспечивает наглядное отображение взаимосвязи между технологическими параметрами – температурой и временем сушки – и выходным показателем качества «потеря в массе при высушивании» в траве и семенах. На построенных поверхностях отклика (рис. 3 и 4) оптимальные режимы процесса визуализированы в виде таргетной зоны округлой формы, выделенной светло-зеленым цветом.

Рисунок 3. Контурные графики взаимосвязи технологических параметров «температура сушки» и «время сушки» с показателем качества «потеря в массе при высушивании» в траве Linum pallescens и Linum heterosepalum

Рисунок 4. Контурные графики взаимосвязи технологических параметров «температура сушки» и «время сушки» с показателем качества «потеря в массе при высушивании» в семенах Linum pallescens и Linum heterosepalum

Использование функции Response Optimizer программы Minitab позволило не только оценить влияние каждого из технологических параметров на показатель качества, но и установить взаимосвязь между ними (рис. 5 и 6). Для травы оптимальными условиями сушки определены температура 40-45 °С и продолжительность сушки 6-8 ч. При данных параметрах потеря в массе при высушивании составила 8,0 ± 1 %, что сопоставимо с результатами экспериментов. Визуальная оценка показала, что при повышении температуры наблюдались признаки термического повреждения сырья (потемнение, частичное подгорание), в то время как при пониженных температурах процесс становился чрезмерно длительным, и материал оставался недостаточно сухим.

Для семян оптимальными режимами оказались температура 45-50 °С и время сушки 8-10 ч, при которых показатель потери в массе при высушивании составил 9,0 ± 1 %. Аналогично, при превышении температурного диапазона фиксировались изменения органолептических характеристик, тогда как при пониженных температурах семена сохраняли избыточную влажность, что свидетельствовало о неполной сушке.

Рисунок 5. Взаимосвязь технологических параметров «температура сушки» и «время сушки» для показателя «потеря в массе при высушивании» в траве Linum pallescens и Linum heterosepalum

Рисунок 6 Взаимосвязь технологических параметров «температура сушки» и «время сушки» для показателя «потеря в массе при высушивании» в семенах Linum pallescens и Linum heterosepalum.

Высушенное цельное сырьё (трава и семена льна бледноцветного и льна разночашелистикового) упаковывали в мешки из трёхслойной крафтовой бумаги одинаковой массы (размер 50×25 см). Упаковка соответствовала требованиям к хранению лекарственного растительного сырья и исключала попадание посторонних веществ. Испытания на стабильность и установление сроков хранения проводятся в соответствии с требованиями Приказа Министра здравоохранения Республики Казахстан от 28 октября 2020 года №165 «Об утверждении Правил проведения производителем лекарственного средства исследования стабильности, установления срока хранения и повторного контроля лекарственных средств».

Для контроля стабильности были заложены три серии (01RC, 02RC, 03RC) заготовленной травы и семян льна бледноцветного и льна разночашелистикового. Температура хранения сырья установлена не выше 25 °C при относительной влажности воздуха 60±5 %.

На основании полученных данных разработана технология сбора и заготовки травы и семян растений льна бледноцветного, льна разночашелистикового (рис. 7).

Контроль в процессе производства

Сырье, промежуточные продукты и материалы

Производственный процесс

- Период сбора;

- Время сбора;

- Соответствие СП по качеству;

- Высота среза

Качество сырья, посторонние примеси

Рисунок 7. Технологическая схема процесса заготовки сырья растений Linum pallescens и Linum heterosepalum

Температура, время, скорость воздушного потока, толщина слоя разложенного сырья, соответствие СП

Масса,	контроль
маркировки, комплектность,
соответствие качеству	СП по

Контроль	готовой
продукции

Температура, Влажность, МБЧ

Заключение

В ходе проведённого исследования были обоснованы и экспериментально подтверждены оптимальные условия конвективной сушки травы и отдельно семян растений: лен бледноцветный и лен разночашелистиковый. На первом этапе была обеспечена правильная организация сбора и первичной заготовки сырья в соответствии с требованиями надлежащей практики культивирования и сбора лекарственных растений (GACP), что позволило сохранить морфологические признаки и исходное качество материала.

Применение конвективной сушки позволило значительно сократить продолжительность процесса при сохранении органолептических и фармакогностических характеристик сырья.

С использованием методологии DoE, реализованной в Minitab 21, построены математические модели и выявлена закономерность взаимодействия факторов и определена оптимальные режимы конвективной сушки: для травы — температура сушки сырья 40–45 °С, время сушки сырья 6–8 ч, при которых показатель «потеря в массе при высушивании» составила 8,0 ± 1 %; для семян — температура сушки сырья 45–50 °С, время сушки сырья 8–10 ч, при которых показатель «потеря в массе при высушивании» составила 9,0 ± 1 %. При данных режимах высушенное сырьё сохраняло соответствие фармакопейным требованиям, включая морфологические и органолептические характеристики.

Таким образом, проведённое исследование позволило разработать научно обоснованную технологию сушки лекарственного растительного сырья ( Linum pallescens Bunge., Linum heterosepalum Regel.), основанную на принципах концепции QbD.