Сравнительный анализ технологий экстракции полифенолов из растительного сырья

Funding: the study was supported by grant No. 25-16-20071 from the RSF and the KSF, "Research and Development of Specialized Food Modules Based on Phenolic and Protein Compounds for the Purpose of Obtaining Food Products for the Prevention of Nutrition-Related Diseases".

Введение. Одним из ключевых направлений развития пищевой промышленности является создание функциональных продуктов питания, способствующих улучшению структуры питания населения различных возрастных групп, сохранению здоровья и профилактике широко распространенных заболеваний [1]. Особую роль в составе функциональных продуктов питания играют соединения с антиоксидантной активностью – полифенолы. В эту группу входят фенольные кислоты, флавоноиды, проантоцианидины, антоцианы, стильбены [1–3]. Многочисленные исследования подтверждают, что пищевые по- лифенолы оказывают положительное влияние на метаболизм, поддерживают антиоксидантный статус и функционирование сердечно-сосудистой системы, способствуют снижению риска развития ожирения, атеросклероза, диабета, гипертонии, нейродегенеративных заболеваний, повышают устойчивость организма к онкологическим заболеваниям [4, 5].

Для получения высококачественных соединений полифенольной природы важно выбрать эффективный метод их извлечения. Для этого используются различные технологии, основывающиеся на физических, химических, биохи- мических методах. К технологиям экстракции предъявляются комплексные требования экологичности, экономической целесообразности и высокой эффективности.

Существующие технологии получения поли-фенольных веществ из растительного сырья имеют определенные достоинства и недостатки.

Исследование направлено на сравнительный анализ научно-технических и патентных данных, касающихся методов экстракции полифеноль-ных соединений из растительного сырья.

Цель исследования – анализ и выявление эффективных технологий получения полифе-нольных соединений из растительного сырья для их дальнейшего применения в производстве функциональных продуктов питания.

Результаты исследования могут способствовать разработке инновационных решений в пищевой технологии, повышению добавленной стоимости растительного сырья и устойчивому развитию отрасли.

Объекты и методы. Для проведения комплексного анализа были отобраны 67 научных публикаций, найденные в международных базах данных (PubMed, Science Direct, Springer Science) и российских научных электронных библиотеках (eLibrary, РИНЦ, Scholar). Поиск литературы осуществлялся с использованием следующих ключевых терминов: «полифенолы», «экстракция флавоноидов», «методы экстракции», «фенольные соединения», «технология извлечения полифенолов», «проантоциани-дины».

Исследование проводилось с применением стандартных научных методов, включающих: систематический поиск и скрининг научной литературы, критический анализ и извлечение релевантных данных, систематизацию и обобщение полученной информации. Временные рамки исследования ограничены периодом 2020–2025 гг.

Результаты и их обсуждение. Распространенные в настоящее время традиционные методы экстракции характеризуются высоким расходом органических растворителей, длительностью процесса, невозможностью точного контроля параметров и др. Совершенствование существующих и развитие инновационных технологий экстракции направлено на минимизацию негативного воздействия на окружающую среду при сохранении высокой эффективности процесса.

Физические методы. Экстракция по Сокслету сохраняет свою актуальность как референтный стандарт при оценке эффективности экстракционных технологий [6, 7].

Современные технологии экстракции включают: ультразвуковую экстракцию (UAE), микроволновую экстракцию (MAE), сверхкритическую жидкостную экстракцию (SFE), жидкостную экстракцию под давлением (PEF). Перспективны обработка высоким давлением (HPP), импульсное электрическое поле (PEF), УФ-излучение и гидродинамическая кавитация (HC), демонстрирующие эффективность в сохранении нутриент-ного и фитохимического профиля растительных экстрактов [8, 9].

Сравнительная характеристика физических методов экстракции полифенолов из растительного сырья приведена в таблице 1.

К современным технологиям экстракции относится использование субкритической воды и реактора из нержавеющей стали. Субкритическая вода определяется как жидкая фаза при температуре 100–374 °C и давлении до 218 атмосфер, что обеспечивает ее особые экстракционные свойства.

Экспериментальная методика включает: помещение 0,5 г измельченного образца (фракция 0,5–3,0 мм) с 7 мл дистиллированной воды в автоклав; герметизацию и нагрев до заданной температуры (120–220 °C, точность ±1 °C) в течение 60 мин; быстрое охлаждение до комнатной температуры (15 мин); фильтрацию через бумажный фильтр с последующей промывкой 70 % этанолом. Свободный объем в реакторе обеспечивал установление равновесного давления паров воды, соответствующего температуре экстракции (например 1,55 МПа при 200 °C) [10].

Полученные фильтраты подвергали сушке при температуре, не превышающей 50 °С, с принудительной вентиляцией для получения сухих экстрактов. Для последующего анализа антиоксидантной активности in vitro , количественного определения суммы полифенолов и флавоноидов в листьях оливы сухие экстракты ресуспендировали в 70 % этаноле (концентрация 1 мг/мл) [11].

При исследовании экстракции из листьев Ginkgo biloba применяли метод субкритической водной экстракции в температурном диапазоне 100–220 °C. Данная методика демонстрирует двойное преимущество: не только повышает выход вторичных метаболитов, но и позволяет модифицировать фитохимический профиль получаемых экстрактов [12].

Для ультразвуковой экстракции полифенолов использовали аппарат PEX 3 Sonifier со следующими характеристиками: рабочий объем из нержавеющей стали – 3 л (23×13.7 см); частота ультразвука – 25 кГц; выходная мощность – 150 Вт; удельная мощность в среде ~60 Вт/кг (калориметрически измеренная). Система оснащена двухконтурной системой термостатирования [13].

Для экстракции полифенолов из виноградных косточек использовали ультразвуковой реактор с параметрами: рабочая частота – 33,5 кГц; акустическое давление – 0,4–0,5 МПа; температурный режим – 30–40 °С (контролируемый). Экспериментально установлено, что выход экстракта нелинейно зависит от времени и интенсивности обработки. Основными механизмами являются: кавитация, пульсация, механические колебания. Оптимальные параметры экстракции: время – 60 мин; удельная мощность – 26,4 Вт/л. Дальнейшее увеличение параметров обработки не дает значимого прироста выхода при снижении экономической эффективности процесса. Визуальная оценка цветности экстрактов подтвердила полученные количественные зависимости [14].

Положительно зарекомендовала себя лиофилизация термолабильных биоактивных соединений, обеспечивающая сохранение физикохимических характеристик целевых соединений, включая морфологические свойства, органолептические показатели и структурные особенности [15].

Полифенольные соединения, извлеченные современными физическими методами, находят широкое применение в различных отраслях промышленности.

Сверхкритическая жидкостная экстракция (SFE) с использованием CO2 позволяет получать соединения, востребованные в пищевой промышленности в качестве натуральных красителей, консервантов и антиоксидантов для функциональных продуктов. В фармацевтической отрасли эти экстракты применяют при создании препаратов с антиоксидантной и противовоспалительной активностью, средств для профилактики сердечно-сосудистых патологий. Косметическая промышленность использует их в антивозрастных средствах и продуктах с УФ-защитными свойствами [16].

Ультразвуковая экстракция характеризуется сокращенным временем процесса и возможностью работы при пониженных температурах, что особенно важно для термолабильных соединений [8].

Ультразвуковая экстракция (UAE) дает возможность получения биологически активных соединений для фармацевтических препаратов, включая кардиопротекторы, нейропротекторы и противоопухолевые средства. В пищевой промышленности такие экстракты служат натуральными антиоксидантами и консервантами, а в косметологии входят в состав средств по уходу за кожей и волосами. Особый интерес представляет их применение в биомедицине для создания биосенсоров и систем доставки лекарств, в сельском хозяйстве – в качестве экологичных фунгицидов и биостимуляторов [17].

Микроволновая экстракция (MAE) преимущественно используется для обогащения пищевых продуктов, включая функциональные напитки и специализированные продукты для спортивного питания. Экстракция с ИК-излучением находит применение при производстве натуральных красителей и антиоксидантных комплексов. Традиционные методы кипячения сохраняют свою актуальность при изготовлении лекарственных форм и косметических ингредиентов [18].

Мембранные технологии обеспечивают получение высокоочищенных экстрактов для фармацевтической промышленности, включая противоопухолевые и противовоспалительные препараты. Субкритическая водная экстракция (PEF) дает соединения, востребованные в нутрицевтиках и средствах защиты кожи от окислительного стресса. Лиофилизация позволяет сохранить термолабильные соединения для медицинских и косметических применений [19].

Инновационные методы обработки, такие как высокое давление (HPP) и импульсное электрическое поле (PEF), находят применение при производстве функциональных продуктов с сохранением питательных веществ. УФ-экстракты используются в средствах для восстановления кожи, а технологии гомогенизации под высоким давлением (HPH) и гидродинамической кавитации (HC) позволяют получать стабильные биологически активные соединения для различных промышленных применений [20, 21].

Сравнительная характеристика физических методов экстракции полифенолов из растительного сырья Comparative Characteristics of Physical Methods for Extracting Polyphenols from Plant Raw Materials

Метод экстракции	Описание метода	Эффективность экстракции, %	Время экстракции, мин	Температура экстракции, °С	Растворитель	Стабильность полифенолов	Источник
Сверхкритическая CO 2 -экстракция (SFE)	Экстракция при 35–45 °C и 150–300 бар; высокая селективность и сохранение антиоксидантной активности	64–75	30–60 мин	35–45	CO 2 + 5–10 % этанола	Высокая	[22–24]
Ультразвуковая экстракция (UAE)	Кавитация разрушает клеточные стенки, усиливая выход полифенолов	50–68	20–60 мин	30–50	Вода, этанол	Средняя	[8, 14, 25–27]
Микроволновая экстракция (MAE)	Быстрый нагрев матрицы и растворителя под действием микроволн, интенсификация диффузии	30–55	10–20 мин	50–80	Этанол, вода	Средняя	[28–30]
Субкритическая водная экстракция (SWE / PHWE)	Вода при 120–220 °C и давлении 10–20 бар; улучшенная растворяющая способность	40–70	30–60 мин	120–200	Вода	Высокая	[10–12, 31–33]
Гидродинамическая кавитация (HC)	Образование/схлопывание пузырьков, ускоряющее высвобождение фенолов	60–75	10–20 мин	40–55	Вода, этанол	Хорошая	[34]
Высокое давление (HPP)	Обработка 300–600 МПа; разрушение клеток без нагрева	45–60	5–10 мин	Без нагревания	Вода	Высокая	[35–37]
Импульсное электрическое поле (PEF)	Электропорация клеток, повышение проницаемости для растворителя	60–80	5–20 мин	20–40	Вода, этанол	Высокая	[38]
Мембранные технологии (UF/NF/RO)	Микро-, ультра- и нанофильтрация для концентрирования и очистки экстрактов	70–80	10–30 мин	20–40	Вода, этанол	Высокая	[39–40]

Перспективным методом для извлечения полифенолов из виноградных выжимок является микроволновая экстракция (MAE). Технология сочетает высокую эффективность процесса с возможностью работы при пониженных температурах, что обеспечивает сохранение биологической активности целевых соединений [33].

Сравнительный анализ различных физических методов экстракции выявил, что сверхкритическая экстракция CO 2 и сублимационная сушка демонстрируют максимальную эффективность извлечения полифенольных соединений (до 95 %). Методы позволяют получать экстракты с сохранением антиоксидантных свойств и высоким содержанием биологически активных компонентов, таких как катехины и флавоноиды [22, 23, 41].

Альтернативные технологии, включая гидродинамическую кавитацию и обработку импульсным электрическим полем, показывают несколько меньшую эффективность (около 75 %), но остаются перспективными для применения в производстве функциональных продуктов питания и косметических средств. В то же время традиционный метод экстракции кипячением демонстрирует наименьшую эффективность (50 %), что делает его экономически нецелесообразным по сравнению с современными технологиями [38].

Научный и практический интерес представляет комбинирование различных физических методов экстракции, что может привести к синергетическому эффекту и дальнейшему повышению эффективности процесса извлечения полифенольных соединений из растительного сырья [41–43].

Химические методы. Сравнительный анализ химических методов экстракции полифенолов из растительного сырья приведен в таблице 2.

Процесс экстракции полифенолов включает их систематическое высвобождение из растительной матрицы, причем растворимые формы извлекаются с помощью водно-органических растворителей, тогда как нерастворимые комплексы, связанные с клеточными стенками посредством эфирных, сложноэфирных и гликозидных связей, требуют дополнительной обработки кислотным или щелочным гидролизом [44].

Стандартный процесс выделения полифенолов включает последовательные стадии: экстракцию, обработку спиртовыми растворами, концентрирование, осаждение и очистку целевых соединений. Критическим параметром экстракционного процесса является подбор опти- мального растворителя. Водные растворы эффективны для экстракции гидроксикоричных кислот, флавоноидов и их производных, однако демонстрируют низкую эффективность при выделении гликозидов кверцетина [45–47]. Наибольший потенциал для оптимизации процесса сосредоточен на начальной стадии экстракции, где ключевыми параметрами являются состав экстрагента, температурный режим, соотношение сырье-растворитель и условия последующей обработки [6, 48].

Экспериментальные исследования экстракции фенольных соединений из скорлупы орехов продемонстрировали значительное влияние размера частиц (оптимум 1 мм) и температуры (75 °C) на процесс извлечения. Оптимальные концентрации этанола составили 53 %, 54 и 65 % для скорлупы арахиса, кокоса и макадамии соответственно. При этом размер частиц оказывал наиболее существенное влияние на кинетику экстракции [48].

Традиционная водно-спиртовая экстракция на примере листьев оливы ( O. europaea ) предусматривает трехкратное кипячение образца в 70 % этаноле по 90 мин, что в сумме занимает 270 мин. После каждого цикла экстракции жидкая фаза отделяется фильтрованием, а объединенный фильтрат подвергается сушке и анализу [10].

Предварительная механическая обработка сырья, направленная на уменьшение размера частиц, значительно ускоряет процесс экстракции. Исследования экстракции виноградных выжимок показали эффективность водно-спиртовых смесей (70 : 30) в сочетании с ультразвуковой обработкой. Последующий хроматографический анализ выявил 45 различных соединений, включая фенольные компоненты, тритерпены и органические кислоты. Использование этанольных растворов с концентрацией 50–60 % обеспечивает эффективную экстракцию как полярных, так и неполярных соединений и перспективно для масштабирования процесса [2, 49–51].

Современные исследования в области экстракции биологически активных соединений выделяют глубокие эвтектические растворители (DES) как новый класс экологически безопасных экстрагентов. Соединения, впервые описанные A. Abbott в начале 2000-х гг., образуются при смешении кислот и оснований Бренстеда или Льюиса, формируя систему с пониженной температурой плавления за счет образования прочных водородных связей [52–55].

DES имеет свойства, аналогичные ионным жидкостям, но при этом отличаются значительно меньшей токсичностью и высокой биоразлагаемостью. К их технологическим преимуществам относятся: минимальная летучесть; негорючесть; экономическая доступность. Типичный состав DES включает хлорид холина в качестве акцептора водородных связей и многоатомные соединения (карбоновые кислоты, спирты или сахара) как доноры. Например, система хлорид холина-глицерин (1 : 2 мольн.) с температурой плавления –40 °С показала высокую эффективность при извлечении флавоноидов и других полифеноль-ных соединений из растительного сырья [52–54, 56, 57].

Развитие экологически безопасных технологий экстракции направлено на минимизацию использования органических растворителей на всех этапах – от подготовки проб до очистки конечного продукта. Такой подход не только снижает экологическую нагрузку, но и уменьшает образование нежелательных побочных продуктов.

Основное преимущество химических методов экстракции заключается в возможности точной регулировки параметров процесса – температуры, продолжительности экстракции и концентрации растворителя, что позволяет оптимизировать выход целевых соединений при минимальном протекании побочных реакций. Большинство химических методов адаптированы для промышленного масштабирования [6, 42–44].

При выборе конкретного метода экстракции необходимо учитывать как его технологические преимущества, так и потенциальные экологические и экономические риски.

Для извлечения полифенолов из виноградных выжимок широко применяются методы мацерации и перколяции с использованием этанола или метанола. Технологии основаны на продолжительном контакте растительного материала с растворителем при контролируемых температурных условиях, что обеспечивает эффективное извлечение целевых соединений [2, 49].

Выявлено, что химические методы экстракции имеют ряд ограничений. Некоторые методики могут вызывать структурные изменения полифенольных соединений, такие как окисление или изомеризация, что негативно влияет на их биологическую активность. Дополнительные стадии очистки для удаления остаточных растворителей увеличивают себестоимость процесса, а высокая цена некоторых реагентов делает производство экономически невыгодным [41, 42, 44, 54]. Вместе с этим применение орга- нических растворителей создает потенциальную экологическую угрозу и требует разработки специальных систем утилизации отходов.

Комбинирование методов экстракции . Для преодоления недостатков физических и химических методов экстракции разрабатываются комбинированные подходы к интенсификации процесса.

Сравнительный анализ комбинированных методов экстракции полифенолов из растительного сырья приведен в таблице 3.

Исследование экстракции антиоксидантов из пяти видов растительных жмыхов показало преимущество ультразвукового метода перед традиционной водяной баней, особенно при комнатной температуре. Сравнение различных экстрагентов выявило наибольшую антиоксидантную активность у ацетоновых экстрактов (AEA) по сравнению с этанольными (EEA) и метанольными (MEA). Добавление пектиназы значительно повышало антиоксидантные свойства экстрактов. FAMD-анализ подтвердил, что хотя взаимодействия между основными факторами статистически значимы, их вклад в общую дисперсию данных остается незначительным [52– 54, 58].

В ходе сравнительного исследования экстракции традиционной, микроволновой и ультразвуковой с использованием различных растворителей было установлено, что:

– максимальный выход экстракта (34,53 %) достигнут при микроволновой экстракции с этанолом;

– ультразвуковая экстракция обеспечила наибольшее содержание фенольных соединений (290,47 мг gae/г) и флавоноидов (36,95 мг re/г);

– наивысшую антиоксидантную активность по тестам DPPH (79,84 %) и ABTS (81,24 %) показали этанольные экстракты, полученные ультразвуковым методом.

Традиционная экстракция продемонстрировала значительно более низкие показатели по всем исследуемым параметрам.

Технологический процесс характеризуется оптимальными временными (2–4 часа) и температурными (40–60 °C) параметрами, что способствует сохранению структуры и активности термолабильных соединений. Контролируемые условия экстракции обеспечивают высокую стабильность полифенолов к окислительным процессам, содержание целевых соединений в конечном продукте достигает 30–45 % от массы сухого сырья [6].

Сравнительный анализ химических методов экстракции полифенолов из растительного сырья Comparative analysis of chemical methods of extraction of polyphenols from plant raw materials

Метод экстракции полифенола	Рекомендуемые растворители	Эффективность экстракции (диапазон), %	Время экстракции, мин	Температура экстракции, °С	Очистка	Устойчивость полифенолов к окислению	Экологичность метода	Источник
Метанольная экстракция	Метанол–вода (50–80 %)	80–95	30–120	40–60	Требуется	Низкая (окисление ↑)	Низкая	[41, 59]
Этанольная экстракция	Этанол–вода (50–70 %)	70–90	30–120	40–60	Требуется	Средняя	Низкая	[6, 50–51]
Ацетоновая экстракция	Ацетон–вода 50–80 %	80–95	15–60	30–50	Требуется	Низкая	Низкая	[25, 41]
Кислотная экстракция	Лимонная, уксусная, яблочная кислоты; кислые водные растворы	60–85	30–120	50–80	Требуется	Средняя	Средняя	[44]
DES-экстракция (глубокие Эвтектические растворители)	DES: хлорид холина + глицерин / органические кислоты	80–95	15–60	40–60	Минимальная	Высокая	Высокая	[52, 54, 56]
Соляная Экстракция (HCl mild)	Разбавленные водные растворы HCl	80–90	30–60	50–70	Требуется	Низкая	Низкая	[44]

Сравнительный анализ комбинированных методов экстракции полифенолов из растительного сырья Comparative analysis of combined methods of extraction of polyphenols from plant raw materials

Метод экстракции	Компоненты метода	Краткое описание метода	Эффективность экстракции, %	Время экстракции	Температура экстракции, °С	Устойчивость полифенолов	Качество экстракта	Экологичность метода	Источник
Ультразвук + ферментная обработка	УЗ-обработка + пектиназа	Фермент разрушает клеточные стенки, УЗ усиливает диффузию	Значительное повышение относительно контроля	30–60 мин	30–45	Высокая	Антиоксидантная активность повышается, содержание фенолов ↑	Частично	[60–61]
Микроволновая экстракция + растворители (MW–EtOH)	Микроволны + этанол 70–80 %	Быстрое нагревание и ускоренная диффузия этанола	30–35 %выхода; фенолы 250–300 мг GAE/г	5–20 мин	60–80	Высокая	Максимальный выход экстракта среди методов в исследовании	Средняя	[30]
Ультразвук + этанол/ метанол (UAE)	УЗ-обработка + водно-спиртовые смеси	Интенсификация массообмена за счет кавитации	Высокая (флавоноиды 30–40 мг RE/г, фенолы ~290 мг GAE/г)	20–40 мин	30–50	Средняя	Высокое содержание флавоноидов и фенолов	Средняя	[14]
Традиционная экстракция + УЗ/МВ оптимизация	Нагрев + УЗ или МВ	Совмещение термической и физической интенсификации	20–40 %	2–4 ч	40–60	Средняя	Стабильность полифенолов 30–45 % от сухого сырья	Средняя	[8]
Ферментная обработка + экстракция этанолом	Пектиназа + этанол 50–60 %	Предгидролиз клеточных стенок + растворение фенолов	Увеличение эффективности по сравнению с контролем	1–2 ч	40–55	Средняя	Повышение выхода по полифенолам	Средняя	[62]
Комбинированные «зеленые» технологии	УЗ/МВ + экологичные растворители (этанол, вода)	Интенсификация без токсичных растворителей	Различается по сырью	1–3 ч	40–60	Высокая	Стабильность антиоксидантов высокая	Высокая	[42–43]

Экономическая целесообразность комбинированных методов подтверждается относительно низкой себестоимостью производства (1 200– 1 500 рублей за килограмм готового экстракта). Следует учитывать технологические сложности процесса, требующего строгого контроля параметров на всех этапах. Дополнительным ограничением служит высокая чувствительность метода к качеству исходного сырья и необходимость его предварительной подготовки [42].

Комбинированные методы экстракции представляют значительный интерес для фармацевтической, пищевой и косметической промышленности. Их дальнейшее совершенствование направлено на оптимизацию технологических параметров и расширение сырьевой базы [43].

Заключение. Проанализированы различные методы экстракции полифенольных соединений из растительного сырья: физические (включая ультразвуковую, микроволновую, сверхкритическую жидкостную экстракцию), химические (с использованием органических растворителей), комбинированные.

Выявлены основные преимущества и ограничения различных технологий экстракции.

Установлено, что распространенные в настоящее время традиционные методы экстракции характеризуются высоким расходом органических растворителей, длительностью процесса, невозможностью точного контроля параметров и др. Современные «зеленые» технологии экстракции обеспечивают более высокую эффективность и экологичность по сравнению с традиционными методами. Определена эффективность различных методов экстракции, %: сверхкритическая жидкостная экстракция – 64;

ультразвуковая экстракция – 58; микроволновая экстракция – 37; мембранная технология – 75; традиционная экстракция кипячением – 50.

Установлено, что наибольший практический интерес представляют комбинированные методы экстракции, сочетающие высокую эффективность, экологичность и экономическую целесообразность. Комбинированные подходы позволяют достичь синергетического эффекта. Так, наиболее результативной с точки зрения извлечения и сохранности полифенольных веществ является сверхкритическая жидкостная экстракция (до 95 % извлечения) с последующей сублимационной сушкой. Перспективными направлениями являются разработка экологически безопасных методов экстракции и оптимизация существующих технологий.

Применение современных методов экстракции открывает новые перспективы для переработки растительного сырья. Дальнейшее развитие этих технологий направлено на повышение их эффективности, совершенствование экономических показателей и расширение области применения.