Сверхкритическая экстракция как метод получения эфирного масла Coriandrum sativum с повышенным содержанием линалоола

Рябоконева Л. А. и др. Сверхкритическая экстракция как метод получения эфирного масла Coriandrum sativum с повышенным содержанием линалоола. Вестник МГТУ. 2025. Т. 28, № 4/2. С. 632–642. DOI:

Ryabokoneva, L. A. et al. 2025. Supercritical extraction as a method for obtaining Coriandrum sativum essential oil with increased linalool content. Vestnik of MSTU, 28(4/2), pp. 632–642. (In Russ.) DOI:

Эфиромасличные культуры являются ценным сырьем для извлечения легколетучих ароматических соединений широкого спектра. Выделяемые из сырья вторичные метаболиты (терпены, монотерпены, сесквитерпены и т. д.) ( Tripathy et al., 2022; Stefanaki, 2021 ) относятся к биологически активным веществам. Они широко применяются в различных отраслях промышленности, включая фармацевтическую, пищевую, парфюмерно-косметическую. Целевые компоненты могут проявлять антимикробную активность ( Dashtian et al., 2024 ), а также обладать противовоспалительным, антиоксидантным и адаптивным эффектом ( Fan et al., 2023; Сергеева и др., 2024 ). Их многофункциональность и возможность применения в различных продуктах обусловливают интерес разных сегментов рынка и растущий спрос на вещества данной группы ( Faehnrich et al., 2021 ). Получение и очистка целевых компонентов играют важную роль в повышении их качества ( Carvalho et al., 2023 ) и практической пользы, что напрямую связано с коммерциализацией, научными разработками и выводом новых продуктов на рынок.

Традиционно эфирные масла получают методом водно-паровой дистилляции, суть которой заключается в переводе легколетучих компонентов в газообразную смесь, ее дальнейшей конденсации с последующим отделением водной фракции ( Ефремов, 2013 ). Применение данной технологии имеет ряд недостатков: низкая селективность процесса, термическое разложение нестабильных соединений, высокая продолжительность и многоэтапность процесса ( Karunanithi et al., 2024; Anjum et al., 2024 ).

В современных условиях техники и технологий существует более рациональная технология выделения эфирных масел – сверхкритическая флюидная экстракция (СКФЭ). Данная технология широко применяется для выделения липидных веществ из масличного или эфиромасличного сырья ( Ивахнов и др., 2013 ). Она имеет ряд технологических преимуществ: высокий коэффициент диффузии, низкие температуры, полное удаление растворителя из сырья ( Bhusnure et al., 2015; Herrero et al., 2010; Ahmad et al., 2019 ), что повышает ценность полученных эфирных масел. Однако стоит отметить и ее недостатки: неравномерное распределение сверхкритического СО₂ по всему объему сырья, сложность технологического оборудования ( Ahmad et al., 2019 ). Необходимо также признать, что при реализации метода возникает проблема "эффективного" проникновения газа в сложные структуры клеточных стенок, что значительно влияет на общую эффективность экстракции ( Patil et al., 2021 ).

Эфиромасличные культуры выращиваются в достаточном количестве. По данным Росстата, в 2022 г. площадь, занятая под посевы этой группы, составила почти 247,3 тыс. га. Динамика посевных площадей по республикам (в составе Российской Федерации), краям, областям за 2022 г. представлена на рис. 1.

________________*6*

Калининградская область 0,8

Ульяновская область 1,7

Приволжский федеральный округ 10,9

У Краснодарский край 61,4

Саратовская область 1,6

Республика Адыгея (Адыгея) Ц

Республика Дагестан 10,9

Рис. 1. Посевные площади эфиромасличных культур в Российской Федерации, тыс. га (2022 г.) Fig. 1. Sowing areas of essential oil crops in 2022 in the Russian Federation (in thousand hectares)

Почти 90 % всей посевной площади приходится на кориандр Coriandrum sativum . Это одна из основных эфиромасличных культур в России, которая характеризуется большим процентным содержанием липофильной фракции (15–20 %), из которой на долю эфирного масла приходится около 1,5–2,5 % ( Оганесян, 2007 ). Главными компонентами эфирного масла являются линалоол (40–70 %), гераниол (3–5 %), геранил-ацетат (до 50 %), борнеол (1–4 %), их уксуснокислые эфиры и альдегиды, терпены. Состав и активность основных компонентов указаны в табл. 1 ( Бочкарев и др., 2014 ). Компонентный состав и процентное содержание компонентов относительно друг друга варьируются в зависимости от способа получения, сорта и ареала произрастания изучаемого растительного сырья.

Таблица 1. Основные компоненты эфирного масла Coriandrum sativum и их биологическая активность Table 1. Main components of Coriandrum sativum essential oil and their biological activity

Вещество	Класс веществ	Номер CAS	Биологическая активность
Линалоол	Терпеновый спирт	78-70-6	Биоцидные свойства ( An et al., 2021 )
Гераниол	Терпеновый спирт	106-24-1	Противоопухолевое и противовоспалительное действие ( Племенков, 2006 ), антимикробные и фунгицидные свойства ( Лацерус и др., 2012 )
Геранилацетат	Терпеноид	105-87-3	Обезболивающее, снотворное, противовоспалительное и нейротропное свойства ( Пономарева и др., 2015 )
Борнеол	Производное терпена	507-70-0	Антидепрессивное, обезболивающее и антиспазматическое действие ( Наумоваи др., 2012 )
Пинен	Бициклический терпен (монотерпен)	80-56-8	Антибактериальная активность, противовоспалительные, антисептические, фунгицидные и противовирусные свойства, отхаркивающая и диуретическая активность ( Коваленко и др., 2019 )
Фелландрен	Циклический монотерпен	99-83-2	Бактерицидные, противомикробные свойства, антиоксидантная активность ( Осмоловская и др., 2001 )

Биологически активные соединения Coriandrum sativum демонстрируют широкий спектр биологической активности. Целевые вещества проявляют выраженные биоцидные, противовоспалительные, противоопухолевые, антидепрессивные, обезболивающие и другие фармакологические свойства.

Целью работы является оценка влияния основных технологических параметров сверхкритической флюидной экстракции плодов Coriandrum sativum на фракционный состав продуктов экстракции.

Материалы и методы

Плоды кориандра ("Юниспайс", Россия) предварительно измельчали на жерновой мельнице HR-2200 (Китай); размер полученных частиц (2,5–3,0) ± 0,5 мм; влажность сырья 11,5 ± 0,1 %.

Процесс сверхкритической экстракции проводили на установке ЭЗТ-10/2-1/1-3-ВА (Россия), схема которой представлена на рис. 2.

Рис. 2. Процессуальная схема установки углекислотной экстракции ЭЗТ-10/2-1/1-3-ВА Fig. 2. Process flow diagram of the carbon dioxide extraction plant

В кассету рабочей колонки помещали предварительно подготовленное сырье. Экстракцию проводили при равномерном повышении давления в рабочей колонке P _р от 10 до 20 МПа с шагом 10 МПа. В исследовании ( Zeković et al., 2016 ) представлены параметры экстракции 50–300 бар, что соответствует 5–30 Мпа; в работе ( Illés et al., 2000 ) экстракцию проводили при 5, 8, 10 МПа. Поэтому было принято решение о выборе средних значений для процесса экстракции (10–20 Мпа) с учетом литературных данных, а также технических возможностей применяемой установки. Продолжительность экстракции при каждом давлении составляла 120 мин; экстракт фракционировали в трех сепараторах. Температура в рабочей колонке T p поддерживалась на уровне 35 °C; расход газа составил 2,1 л/мин. Основные технологические параметры эксперимента представлены в табл. 2, где Р _с1, Р _с2, Р _с3 – давление в сепараторах; Т _с1, Т _с2, Т _с3 – температура в сепараторах.

Таблица 2. Технологические параметры экстракции Table 2. Technological parameters of extraction

Номер эксперимента	Р р, МПа	T p , °С	Р с1 , МПа	Т с1 , °С	Р с2, МПа	T с2 , °С	Р с3, МПа	Т с3 , °С
1	10	35	6	35	5	30	4	25
2	20	35	6	35	5	30	4	25

Идентификацию полученных фракций проводили, применяя традиционный протокол. Газовую хромато-масс-спектрометрию (ГХ-МС) осуществляли с использованием капиллярной колонки MDN-1 (твердосвязанный метилсиликон, 30 м × 0,25 мм, Sigma-Aldrich, США) и газового хромато-масс-спектрометра GCMS-QP2010 Ultra (Shimadzu, Япония) в соответствии

• –    со следующими параметрами: объем инжектора 1 мкл, температура инжектора 200 °C, деление потока 1 : 10, температура интерфейса 210 °C, температура детектора 200 °C, скорость потока газа-носителя He 0,8 мл/мин;

• –    температурной программой: 100 °С в течение 2 мин; 5 °С/мин до 120 °С; 20 °С/мин до 260 °С; затем 260 °С в течение 2 мин; идентификация масс 50–1 900 m/z.

Коэффициент преломления устанавливали рефрактометрическим методом на приборе PAL-COVID-19 (Япония); температура измерения 20 ± 2 °C.

Определение остатка после выпаривания выполняли согласно ГОСТ 14618.11-781 с некоторыми изменениями. Метод основан на измерении потери в массе за счет гигроскопической влаги и летучих веществ при высушивании сырья до абсолютно сухого состояния. Для этого навеску весом 5 г сушили на автоматическом анализаторе влажности MS-70 (Китай) при температуре 160 ± 2 °C до постоянной массы.

Результаты и обсуждение

При использовании метода сверхкритической флюидной экстракции плодов Coriandrum sativum выход липофильной фракции составляет 10,8 % (суммарно при давлении 10 и 20 МПа). Наибольший массовый выход наблюдается в сепараторе 2; выход липидной фракции при давлении 10 МПа составил 4,88 %, при 20 МПа – 5,92 % (рис. 3).

Рис. 3. Суммарный выход экстракта Coriandrum sativum (г/100 г сухого вещества) Fig. 3. Total yield of Coriandrum sativum extract (g/100 g of dry matter)

Динамика экстракции, а также выход экстракта (г/100 г сухого вещества) представлены на рис. 3–4. При низком давлении экстракции (10 МПа) получен выход гидрофильной фракции в количестве 3,86 % от массы исходного сырья; кинетика процесса зависит от технологических параметров (рис. 4).

а                                              б

Рис. 4. Динамика выхода экстракта Coriandrum sativu m (г/100 г сухого вещества) при давлении: а – 10 Мпа; б – 20 Мпа

Fig. 4. Dynamics of Coriandrum sativum extract yield (g/100 g of dry matter) а – extraction pressure 10 MPa; б – extraction pressure 20 MPa

В сепараторе 1 динамика процесса при давлениях 10 и 20 МПа имеет схожий характер в течение первых 60 мин экстракции. Максимум выхода приходится на первые 30 мин экстракции, после чего наблюдается явная тенденция к снижению. Однако в интервале времени 60–90 мин отмечается максимум выхода (1,28 %) при рабочем давлении 10 МПа. Динамика выхода из сепаратора 2 имела четкую линию тренда и отличается тем, что точки максимума определяются при временном интервале в 60 мин при давлении 20 МПа или 90 мин при 10 МПа цикла экстракции.

Повышение рабочего давления экстракции прямо коррелирует с процентным выходом продукта экстракции в сепараторе 2 (повышение на 10 МПа приводит к увеличению выхода экстракта на 21,3 %).

Физико-химические показатели полученных липофильных фракций представлены в табл. 3.

Таблица 3. Физико-химические показатели образцов, полученных при экстракции Coriandrum sativum Table 3. Physicochemical parameters of samples obtained from the Coriandrum sativum extraction

Номер образца	Р р, МПа	T p , °С	Р в сепараторе, МПа	T в сепараторе, °С	Коэффициент преломления	Остаток после выпаривания, %
1	10	35	6	35	1,4091 ± 0,0005	17,81 ± 0,02
2	10		5	30	1,4091 ± 0,0005	20,78 ± 0,02
3	20		6	35	1,4619 ± 0,0005	24,59 ± 0,02
4	20		5	30	1,4669 ± 0,0005	12,17 ± 0,02

Образцы, полученные при одном давлении экстракции, имеют близкие по значению коэффициент преломления и массовую долю летучих веществ. На основании физико-химических показателей принято решение объединить образцы, тем самым были получены две фракции: фракция 1, в нее вошли образцы под номерами 1 и 2; фракция 2, состоящая из образцов 3 и 4. Для полученных фракций также был проведен тест на растворимость в разнополярных растворителях (спирт, гексан и вода); данные представлены на рис. 5.

а

б

Рис. 5. Тест на растворимость: а – фракции 1; б – фракции 2. Растворители слева направо: гексан, спирт, вода Fig. 5. Solubility test of fractions: а – fraction 1; б –fraction 2; solvents from left to right: hexane, alcohol, water

Фракция 1 по своему виду и растворимости явно отличается от всех остальных образцов и представляет собой непосредственно масло кориандра. Данная фракция полностью растворяется в гексане, частично в спирте и не растворяется в воде (рис. 5, а ).

Фракция 2 по своему виду и растворимости имеет отличительные признаки. Данная фракция полностью растворяется в гексане и спирте и не растворяется в воде (рис. 5, а ).

На основании физико-химических исследований можно сделать вывод, что повышение давления до 20 МПа приводит к выделению продуктов экстракции, которые отличаются по химическим показателям и растворимости. Для данных фракций проведены исследования по идентификации биологически активных компонентов. Компонентный состав представлен в табл. 4.

В экстракте Coriandrum sativum установлено 42 вещества различной структуры, из которых не удалось идентифицировать 8, а 20 веществ присутствуют в незначительном количестве (менее 0,1 % от суммы всех веществ). В табл. 4 представлены обработанные данные по основным компонентам экстрактов.

Таблица 4. Основные вещества, обнаруженные в СО₂-экстракте Coriandrum sativum Table 4. Main substances found in CO₂ extract of Coriandrum sativum

Наименование компонентов	Номер CAS	Массовая доля от суммы компонентов, %
		Фракция 1	Фракция 2
Linalool	78-70-6	39,04	75,9
Alpha-Pinene	80-56-8	0	0,22
Gamma-Terpinene	99-85-4	0	0,87
Bornanone	76-22-2	0	3,97
Geranyl acetate	105-87-3	0,11	0,23
D-Limonene	5989-27-5	0	0,26
Сумма жирных кислот	–	43,3	14,1

Представленные данные свидетельствуют о различном компонентном составе фракций. Состав целевых компонентов (вторичных метаболитов) – основы эфирного масла кориандра – имеет значительные отличия. Фракция 1, полученная при давлении 10 Мпа, содержит в своем составе 43,3 % жирных кислот и представляет собой масло кориандра, что подтверждается результатом теста растворимости.

Повышение давления до 20 МПа приводит к селективному извлечению ряда БАВ. Так, фракция 2 представляет собой многокомпонентную смесь, состоящую в основном из веществ терпенового ряда. При этом содержание линалоола (Linalool) составляет 75,9 %, что на 51,38 % больше, чем его содержание во фракции 1.

В ряде работ представлен способ получения эфирного масла методом паровой дистилляции с использованием различного оборудования. Таким образом были получены образцы эфирного масла Coriandrum sativum c содержанием целевого компонента (линалоола) 31,45 % ( Новиков и др., 2017 ), что согласуется с нашими данными по фракции 1. В ходе нашего исследования доказана целесообразность метода флюидной экстракции. Суммарный процент выхода продукта экстракции при заданных параметрах составляет почти 12 %. Полученный процент выхода является приемлемым при содержании липофильной фракции в исследуемом сырье от 15 до 20 % согласно литературным данным ( Оганесян и др., 2007 ).

Если рассматривать в сравнении процент выхода в зависимости от способа экстрагирования, полученные данные немного уступают процентным значениям, полученным в работе ( Zeković et al., 2016 ). В данной работе изучены методы получения эфирного масла кориандра: гидродистилляция, экстракция методом Сокслета, сверхкритическая экстракция (10 и 30 МПа) и др. В результате сравнения установлено, что наибольший выход наблюдается при экстракции по Сокслету (14,45 ± 0,32 %). Экстракция при высоком давлении показала чуть меньший выход, причем наблюдается существенная разница процентов выхода при повышении давления. Так, при давлении 10 МПа выход составил 1,52 ± 0,09 %, а при повышении давления до 30 МПа выход увеличивается до 8,88 ± 0,18 %.

В процессе экспериментов при заданных нами технологических параметрах и давлении экстракции 10,0 МПа выход составил 4,66 %, что почти в 3 раза больше, чем у зарубежных коллег при таком же давлении. Однако в данной серии экспериментов не проводилась экстракция при давлении 30,0 МПа. Если оценивать суммарный выход липидной фракции (9,2 %), то можно говорить о верификации полученных данных.

В ходе исследований проводился анализ влияния основных технологических параметров сверхкритической флюидной экстракции Coriandrum sativum на фракционный состав продуктов экстракции, в частности эфирного масла с повышенным содержанием линалоола. При применении классических способов экстракции (дистилляции водяным паром) можно получить эфирное масло кориандра с содержанием терпенового спирта в диапазоне 65–67,51 % (Способ получения…, 2011) в зависимости от сырья, технологического оборудования и параметров предподготовки и обработки сырья. Подготовка сырья позволяет повысить выход целевого компонента, что подтверждают данные как зарубежных, так и отечественных коллег. Значительные потери эфирного масла наблюдаются при измельчении плодов, поэтому в настоящее время наиболее рациональным способом снижения потерь является обработка жидким азотом. Так, в работе (Подлесный, 2012) подтверждено, что такой специфический метод подготовки сырья позволяет увеличить долю терпенового спирта до 73,9 % (наибольшее значение из указанных в первичных источниках). В нашем эксперименте содержание определяемого компонента составило 75,9 %. Сравнительные данные по содержанию линалоола в зависимости от способа экстракции и технологии предобработки сырья представлены в табл. 5.

Таблица 5. Содержание линалоола в эфирном масле Coriandrum sativum , полученное различными способами

Table 5. Linalool content in Coriandrum sativum essential oil obtained by different methods

Способ экстрагирования	Подготовка сырья	Содержание линалоола, %
Водно-паровая дистилляция	Измельчение (размер частиц и оборудование не представлены) ( Мустафаев и др., 2016 )	66,5
	Обработка азотом в течение 20 мин и измельчение ( Коваленко и др., 2019 )	73,0
	Увлажнение с использованием электроактивированной жидкости (1–2 %, рН 2,3–1,5) ( Способ получения…, 2011 )	67,51
Флюидная экстракция (20 Мпа)	Измельчение на жерновой мельнице HR-2200. Размер полученных частиц (2,5–30) ± 0,5 мм	75,9

Заключение

Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод о том, что флюидная экстракция рассматриваемого сырья представляет собой перспективный способ извлечения биологически активных нутриентов. Давление экстракции является ключевым параметром, определяющим эффективность извлечения: повышение рабочего давления с 10 до 20 МПа прямо коррелирует с увеличением выхода липидной фракции с 4,88 до 5,92 %. Наибольший массовый выход наблюдается в сепараторе 2. При низком давлении экстракции (10 МПа) основным продуктом (фракция 1) является липофильная фракция, представляющая собой масло кориандра, обогащенное жирными кислотами (43,3 %); также получен выход гидрофильной фракции в количестве 3,86 % от массы исходного сырья. Повышение давления до 20 МПа значительно изменяет фракционный состав, обеспечивая селективное извлечение ряда биологически активных веществ. Фракция 2, полученная при 20 МПа, представляет собой многокомпонентную смесь веществ терпенового ряда. Содержание линалоола в этой фракции достигает 75,9 %, что на 51,38 % выше, чем во фракции, полученной при 10 Мпа; данный результат свидетельствует о возможности направленного извлечения терпеновых соединений.

Таким образом, варьирование рабочего давления в процессе сверхкритической флюидной экстракции Coriandrum sativum является эффективным инструментом управления как общим выходом, так и, что особенно важно, направленного получения фракций с различным качественным и количественным составом. Вариативное изменение давления позволяет регулировать компонентный состав получаемого экстракта. При относительно низком давлении экстракции (10 МПа) осуществляется выход фракции с повышенным содержанием жирных кислот. Увеличивая давление до 20 МПа, можно выделять эфирное масло с рекордным содержанием основного компонента – линалоола.

В результате экстракции удалось выделить фракцию, в которой содержание терпенового спирта составило 75,9 %, что на 14,5 % больше, чем при традиционном способе.