Научная статья на тему 'ЭКСТРАКЦИЯ ХЛОРОФИЛЛОВ И КАРОТИНОИДОВ ИЗ ЕЛОВОЙ ХВОИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИМ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА'

ЭКСТРАКЦИЯ ХЛОРОФИЛЛОВ И КАРОТИНОИДОВ ИЗ ЕЛОВОЙ ХВОИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИМ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
81
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Химия растительного сырья
Scopus
ВАК
AGRIS
CAS
RSCI
Ключевые слова
ЕЛОВАЯ ХВОЯ / ХЛОРОФИЛЛЫ / КАРОТИНОИДЫ / СВЕРХКРИТИЧЕСКАЯ ФЛЮИДНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ / ДИОКСИД УГЛЕРОДА / СОРАСТВОРИТЕЛИ / ЭКСТРАКТЫ / СОСТАВ

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Скребец Т.Э., Ивахнов А.Д., Репина В.И.

Сверхкритический диоксид углерода, являясь неполярным растворителем, хорошо зарекомендовал себя в качестве экстрагента для извлечения неполярных соединений из растительных материалов. Однако использование сорастворителей, усиливающих полярные свойства СО2 в сверхкритическом состоянии, в значительной степени расширяет возможности его применения для экстракции. Древесная зелень, в частности, еловая, содержит большое количество полезных веществ различной степени полярности, для которых экстракция является одним из основных методов извлечения. В работе проведена экстракция еловой хвои сверхкритическим диоксидом углерода с добавками спиртов в качестве сорастворителей с целью извлечения хлорофиллов и каротиноидов. Содержание пигментов в образце, полученном исчерпывающей экстракцией по Сокслету этанолом (изопропанолом), составило для каротиноидов 0.025 мг/г, для хлорофиллов 0.3 мг/г. Сверхкритическую экстракцию пигментов проводили в экстракторе MV-10ASFE производства Waters, (США) при температурах 60 ;°С и 80 ;°С, варьируя давление от 100 атм до 300 атм, концентрацию сорастворителя - от 0 до10%, продолжительность экстракции - от 10 до 60 мин. Анализ экстрактов на каротиноиды и хлорофиллы осуществляли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на приборе LC-30 «Nexera» (Shimadzu), Япония. Установлено, что сверхкритический СО2 при максимальных значениях параметров процесса способен извлекать в три раза больше каротиноидов, чем хлорофиллов. Добавка сорастворителей практически не влияет на количество извлекаемых каротиноидов, в то время как содержание хлорофиллов в экстракте может быть увеличено в 4-7 раз при использовании этанола и в 3-4 раза при добавке изопропанола.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Скребец Т.Э., Ивахнов А.Д., Репина В.И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EXTRACTION OF CHLOROPHYLLS AND CAROTENOIDS FROM SPRUCE NEEDLES WITH SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE

Supercritical carbon dioxide, being a non-polar solvent, has proven itself well as an extractant for the extraction of non-polar compounds from plant materials. However, the use of co-solvents that enhance the polar properties of the SO2 in the supercritical state greatly enhances its use for extraction. Wood greens, in particular spruce, contain a large number of useful substances of varying polarity, for which extraction is one of the main extraction methods. Spruce needles were extracted with supercritical carbon dioxide with alcohol additives as co-solvents to extract chlorophylls and carotenoids. The pigment content of the sample obtained by exhaustive Soxhlet extraction with ethanol (isopropanol) was 0.025 mg/g for carotenoids, 0.3 mg/g for chlorophylls. Supercritical pigment extraction was carried out in a Waters MV-10ASFE extractor (USA) at temperatures of 60 ;°C and 80 ;°C, varying in pressure from 100 at to 300 at, co-solvent concentration from 0 to 10%, extraction duration from 10 to 60 minutes. Analysis of extracts for carotenoids and chlorophyll was carried out by high-performance liquid chromatography on LC-30 “Nexera” (Shimadzu), Japan. It has been found that supercritical SO2 at maximum process parameters is capable of extracting three times more carotenoids than chlorophylls. The addition of co-solvents has little or no effect on the amount of carotenoids recovered, while the chlorophyll content of the extract can be increased 4-7 times with ethanol and 3-4 ;times with iso-propanol.

Текст научной работы на тему «ЭКСТРАКЦИЯ ХЛОРОФИЛЛОВ И КАРОТИНОИДОВ ИЗ ЕЛОВОЙ ХВОИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИМ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА»

DOI: 10.14258/jcprm.20230211878

УДК 615.322:547.913(571)

ЭКСТРАКЦИЯ ХЛОРОФИЛЛОВ И КАРОТИНОИДОВ ИЗ ЕЛОВОЙ ХВОИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИМ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА

© Т.Э. Скребец*, А.Д. Ивахнов, В.И. Репина

Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, 17, Архангельск, 163002 (Россия), e-mail:tskrebets@mail.ru

Сверхкритический диоксид углерода, являясь неполярным растворителем, хорошо зарекомендовал себя в качестве экстрагента для извлечения неполярных соединений из растительных материалов. Однако использование сораство-рителей, усиливающих полярные свойства СО2 в сверхкритическом состоянии, в значительной степени расширяет возможности его применения для экстракции. Древесная зелень, в частности, еловая, содержит большое количество полезных веществ различной степени полярности, для которых экстракция является одним из основных методов извлечения. В работе проведена экстракция еловой хвои сверхкритическим диоксидом углерода с добавками спиртов в качестве со-растворителей с целью извлечения хлорофиллов и каротиноидов. Содержание пигментов в образце, полученном исчерпывающей экстракцией по Сокслету этанолом (изопропанолом), составило для каротиноидов 0.025 мг/г, для хлорофиллов 0.3 мг/г. Сверхкритическую экстракцию пигментов проводили в экстракторе MV-10ASFE производства Waters, (США) при температурах 60 °С и 80 °С, варьируя давление от 100 атм до 300 атм, концентрацию сорастворителя - от 0 до10%, продолжительность экстракции - от 10 до 60 мин. Анализ экстрактов на каротиноиды и хлорофиллы осуществляли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на приборе LC-30 «Nexera» (Shimadzu), Япония. Установлено, что сверхкритический СО2 при максимальных значениях параметров процесса способен извлекать в три раза больше каротиноидов, чем хлорофиллов. Добавка сорастворителей практически не влияет на количество извлекаемых каротиноидов, в то время как содержание хлорофиллов в экстракте может быть увеличено в 4-7 раз при использовании этанола и в 3-4 раза при добавке изопропанола.

Ключевые слова: еловая хвоя, хлорофиллы, каротиноиды, сверхкритическая флюидная экстракция, диоксид углерода, сорастворители, экстракты, состав.

Древесная зелень хвойных пород древесины содержит комплекс веществ, обладающих высокой биологической активностью, в том числе хлорофиллы и каротиноиды [1, 2]. Основным технологическим процессом, позволяющим извлекать биологически активные вещества (БАВ) из растительного сырья, является экстракция. Известные способы извлечения БАВ подразумевают использование в качестве экстрагентов бензина, сжиженных газов [3], воды и этилового спирта [4], при этом использование каждого из растворителей направлено на извлечение определенного компонента или группы веществ. Недостатки этих способов, связанные с «неэкологичностью» некоторых растворителей, трудностью удаления растворителя для получения чистого целевого компонента, изменением выделяемого вещества под действием температуры или химических реакций с растворителем [5], заставляют искать новые методы, свободные от указанных недостатков. Сверхкритическая флюидная экстракция - высокотехнологичный процесс, позволяющий расширить спектр получаемых веществ, увеличить выход целевого продукта, а при применении в качестве экстрагента сверх-

Введение

Скребец Татьяна Эдуардовна - доцент кафедры теоретической и прикладной химии, e-mail: tskrebets@mail.ru

Ивахнов Артем Дмитриевич - старший научный сотрудник Центра коллективного пользования научным оборудованием «Арктика», e-mail: tskrebets@mail.ru Репина Валерия Ивановна - студент, e-mail: lera.repina.96@mail.ru

критического диоксида углерода легко удалять экстрагент по окончании процесса [6, 7]. Так, использование сверхкритического диоксида углерода позволило оптимизировать процесс экстракции хлорофилла и лютеина из побочных продуктов переработки шпината и получить экстракты с высокой концентрацией названных соединений,

* Автор, с которым следует вести переписку.

применяемые в производстве некоторых пищевых продуктов [8]. Применение сверхкритического СО2 для обработки оливковой шелухи (отхода при производстве оливкового масла) позволило получить концентраты токоферолов, хлорофиллов и каротиноидов, не содержащие высокомолекулярных неполярных соединений, по сравнению с классической экстракцией гексаном, что свидетельствует о большей селективности сверхкритической флюидной экстракции [9]. Варьируя параметры процесса (давление, температуру, продолжительность), можно добиться преимущественного извлечения определенного компонента или усреднить состав экстракта по группе компонентов [10, 11]. Существенный недостаток СО2 как экстрагента - его низкая полярность, может регулироваться добавками полярных растворителей, хорошо растворимых в СО2 выше его критических параметров [11-15]. Известные работы по сверхкритической экстракции хвои ели посвящены извлечению эфирных масел [16-18] и высших спиртов [19].

Цель работы - извлечение хлорофиллов и каротиноидов из еловой хвои сверхкритическим диоксидом углерода с добавками спиртов в качестве сорастворителей.

Объект и методы исследования

В качестве объекта исследования выбрана древесная зелень ели обыкновенной или европейской (Picea abies), отобранная в Приморском районе Архангельской области и высушенная до воздушно-сухого состояния, влажность составила 6.2±0.1%. Воздушно-сухую хвою измельчали на лабораторной мельнице ЛМ 201 с водяным охлаждением до размеров 2-3 мм. Целевая фракция составляла 85% масс.

Для определения содержание хлорофиллов и каротиноидов в сырье проводили его исчерпывающую экстракцию в аппарате Сокслета с использованием в качестве растворителей ацетона, этанола и изопропа-нола. Содержание пигментов составило 15.2±0.5 мг/г для хлорофиллов и 1.25±0.05 мг/г для каротиноидов в расчете на абсолютно сухую навеску хвои и практически не зависело от экстрагента.

Сверхкритическую флюидную экстракцию проводили в экстракторе MV-10ASFE производства Waters, (США). Блок-схема экспериментальной установки показана на рисунке 1. Установка была доработана с целью сокращения тракта экстракта. Навеску сырья (1 г) помещали в автоклав объемом 5 мл и обрабатывали диоксидом углерода при заданных параметрах в течение заданного временного промежутка при скорости потока экстрагента 2 мл/мин (температура теплообменника охлаждающего насос и измеритель потока 2.5 °С). В качестве сорастворителя применяли этанол и изопропанол в концентрациях: 1%об., 5%об. и 10%об. В качестве домывающего растворителя использовали этанол. После каждой экстракции проводили промывку системы ацетоном, с последующей продувкой диоксидом углерода. В промывном растворе пигменты не обнаружены. В ходе опытов варьировали температуру (60 и 80 °С) и давление (100-300 атм).

Определение содержания хлорофиллов и каротиноидов в экстрактах проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Хроматографическое разделение осуществляли на приборе LC-30 «Nexera» (Shimadzu), Япония. Разделение проводили на колонке Luna C18(2) (250*4.6 мм, 5 мкм). Прибор оснащен детектором SPD-20A, позволяющим проводить детектирование на одной длине волны в интервале 210-500 нм. Детектирование проводили при 450 нм. В качестве элюента использовали смесь ацетонитрила с изопропиловым спиртом, в соотношении 80 : 20. Температура термостата колонки - 35 °С, скорость элю-ирования - 1 мл/мин. Продолжительность хроматографирования - 25 мин. В качестве стандартных образцов использованы хлорофилл-А, хлорофилл-Б, а- и ß-каротин (Sigma-Aldrich). Для определения валового содержания хлорофиллов суммировали содержания хлорофиллов А и Б. Аналогичным образом определяли валовое содержание каротиноидов. Содержание пигментов приводится в расчете на абсолютно сухую навеску хвои. Степень извлечения пигментов рассчитывали в процентах от их содержания в исходном сырье.

Результаты и обсуждение

Сверхкритический диоксид углерода (критические параметры - Ркр=71.8 атм, Ткр=31.4 °С), являясь малополярным растворителем, способен неодинаково извлекать компоненты древесной зелени. Очевидно, что хлорофиллы, более полярные соединения по сравнению с каротиноидами, требуют применения экстра-гентов, обладающих большей полярностью. На рисунках 2 и 3 показаны результаты извлечения обоих пигментов еловой хвои сверхкритическим диоксидом углерода при двух исследованных температурах без добавок сорастворителя при разной продолжительности процесса.

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки MV-10ASFE (Waters, США): 1 - баллон; 2 - насос высокого давления; 3 - автоклав; 4 - блок термостата; 5 - регулятор давления; 6 - домывающий растворитель; 7 - насос домывающего растворителя; 8 - проточный регулятор; 9 - стеклянный сепаратор; 10 - сорастворитель; 11 - насос сорастворителя

150 200 250 давление, атм

Рис. 2. Степень извлечения хлорофиллов и каротиноидов в зависимости от давления при разной продолжительности процесса при температуре 60 °С (без сорастворителя)

Ж

¥ 0,00

Г Г Г I г

150 200 250 300

давление,атм

Рис. 3. Степень извлечения хлорофиллов и каротиноидов в зависимости от давления при разной продолжительности процесса при температуре 80 °С (без сорастворителя)

Из графиков очевидна разница в извлекающей способности сверхкритического СО 2 относительно каждого из пигментов: при максимальных температуре, давлении и продолжительности процесса удается извлечь почти 30% каротиноидов и только 9.5% хлорофиллов. На относительно низких (100-200 атм) давлениях хлорофиллы практически не извлекаются и при температуре 60 °С и 150 атм и 80 °С 200 атм можно получать экстракты, обогащенные каротиноидами. При увеличении продолжительности процесса практически линейно увеличивается степень извлечения обоих пигментов за исключением режимов с низким давлением, когда степень извлечения с определенного (довольно малого) уровня не может быть увеличена за счет роста давления.

В работе использованы два спирта, часто применяемые в качестве сорастворителей в процессах сверхкритической флюидной экстракции - этанол и изопропанол. Критические параметры этих спиртов составляют: для этанола Ткр=240.9 °С, Ркр=61.4 атм, для изопропанола Ткр=235.6 °С, Ркр=53.8 атм. Согласно известным данным о критических параметрах бинарных смесей, полученных расчетным методом [20, 21], система СО2-этанол находится в гомогенном сверхкритическом состоянии при мольной доле диоксида углерода не менее 93% при 60 °С и давлении выше 90 атм и 78% при 80 °С и давлении выше 100 атм. Поэтому можно говорить о сверхкритическом состоянии экстрагента при содержании этанола 1-5% при проведении экстракции при 60 °С и 1-10% для 80 °С. Поскольку авторы не обнаружили в литературе подобных данных для системы диоксид углерода - изопропанол, то при использовании этого сорастворителя можно достоверно говорить о жидкой гомогенной системе СО2-спирт при повышенных температурах и давлениях.

На рисунке 4 показаны зависимости степени извлечения пигментов из еловой хвой в зависимости от концентрации этанола в экстрагенте при максимальных давлении (300 атм) и продолжительности обработки (60 мин).

Экстракция каротиноидов практически не зависит от добавки сорастворителя, в то время как степень извлечения хлорофиллов существенно возрастает с увеличением концентрации этанола.

При использовании изопропанола в качестве сорастворителя концентрационная зависимость степени извлечения каротиноидов практически отсутствует, а на процесс экстракции хлорофиллов сорастворитель также оказывает положительное влияние (рис. 5).

Однако по сравнению с этанолом изопропанол, будучи менее полярным [15], обладает в целом худшим модифицирующим действием и в равных условиях существенно слабее увеличивает степень извлечения хлорофиллов.

1 = 1и концентрация этанола: 1-0%, 2-1%, 3-5%, 4-10%

концентрация этанола, об.%

Рис. 4. Зависимости степени извлечения пигментов из еловой хвои от концентрации этанола при давлении 300 атм и продолжительности экстракции 60 мин

12 3 4

концентрация изо-пропанола: 1-0 %, 2 -1 %, 3 -

5 %, 4 -10%

12 3 4

концентрация изо-пропанола: 1-0 %, 2 -1 %, 3 -

5 %, 4 - 10%

Рис. 5. Зависимости степени извлечения пигментов из еловой хвои от концентрации изопропанола при давлении 300 атм и продолжительности экстракции 60 мин

Выводы

1. Спирты (этанол и изопропанол) практически не влияют на процесс извлечения каротиноидов из еловой хвои сверхкритическим диоксидом углерода, но существенно увеличивают содержание хлорофиллов в получаемых экстрактах.

2. Этанол, обладающий большей полярностью по сравнению с изопропанолом, предпочтительнее в качестве сорастворителя для сверхкритического СО2 при экстракции пигментов.

3. Варьируя параметры процесса (давление и продолжительность экстракции) и регулируя полярные свойства смешанного растворителя диоксид углерода - спирт, можно получать экстракты, обогащенные тем или иным компонентом.

4. Представляется возможной организация ступенчатой экстракции с получением экстрактов различного состава на разных стадиях процесса.

Экспериментальная часть работы выполнена на оборудовании ЦКПНО «Арктика» САФУ.

Список литературы

1. Репях С.М., Рубчевская Л.П. Химия и технология переработки древесной зелени. Красноярск, 1994. 320 с.

2. Петренко Е.В., Полянская В.В., Паршикова В.Н., Степень Р.А. Изменчивость липидного комплекса пихты и ели и возможность ее совместной переработки // Вестник КрасГАУ. 2009. №6. C. 88-92.

3. Патент №2573310 (РФ). Способ экстракции растительного сырья, способ получения хлорофиллсодержащего биоактивного продукта, включающий такую экстракцию, и продукт / В.Б. Некрасова, Е.В. Ахтемиров. - 2016.

4. Татаринцева В.Г., Кутакова Н.А., Зубов И.Н. Изучение особенностей состава древесной зелени ели приаркти-ческого региона Европейской части России и возможности ее комплексной переработки // Химия растительного сырья. 2019. №3. С. 69-77. DOI: 10.14258/jcprm.2019034143.

5. Антонов В.И., Ягодин В.И. Превращения зеленых пигментов при экстракционной переработке древесной зелени хвойных // Химия растительного сырья. 2006. №1. С. 41-44.

6. Залепугин Д.Ю., Тилькунова Н.А., Чернышова И.В., Поляков В.С. Развитие технологий, основанных на сверхкритических флюидах // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2006. Т. 1. №1. С. 27-51.

7. Bukhanko N., Attard T., Arshadi M., Eriksson D., Budarin V., Hunt A.J., Geladi P., Bergsten U., Clark J. Extraction of cones, branches, needls and bark from Norway spruce (Picea abies) by supercritical carbon dioxide and soxhlet extractions techniques // Industrial Crops and products. 2020. Vol. 145. Article 112096. DOI: 10.1016/j.indcrop.2020.112096.

8. Derrien M., Aghabararnejad M., Grosselin A., Desjardins Y., Angers P., Boumghar Y. Optimization of supercritical carbon dioxide extraction of lutein and chlorophyll from spinach by-products using response surface methodology // LWT - Food Science and Technology. 2018. Vol. 93. Pp. 79-87. DOI: 10.1016/j.lwt.2018.03.016.

9. Gracia I., Rodriguez J.F., De Lucas, A. Fernandez-Ronco M.P., Garcia M.T. Optimization of supercritical CO2 process for the concentration of tocopherol, carotenoids and chlorophylls from residuel olive husk // The Journal of Supercritical Fluids. 2011. Vol. 59. Pp. 72-77. DOI: 10.1016/j.supflu.2011.05.019.

10. Park H.S., Im N.G., Kim K.H. Extraction behaviors of caffeine and chlorophylls in supercritical decaffeination of green tea leaves // LWT - Food Science and Technology. 2012. Vol. 45. N1. Pp. 73-78. DOI: 10.1016/j.lwt.2011.07.023.

11. Guedes A.C., Giao M.S., Matias A.A., Nunes A.V.M., Pintado M.E., Duarte C.M.M., Malcata F.X. Supercritical fluid extraction of carotenoids and chlorophylls a, b and c from wild strain of Scenedesmus obliquus for use in food processing // Journal of Food Engineering. 2013. Vol. 116. Pp. 478-482.

12. Morcelli A., Cassel E., Vargas R., Rech R., Marcilio N. Supercritical fluid (CO2+ethanol) extraction of chlorophylls and carotenoids from Chlorrella sorokiniana: COSMO-SAC assisted prediction of properties and experimental approach // Journal of CO2 Utilization. 2021. Vol. 51. Article 101649. DOI: 10.1016/j.jcou.2021.101649.

13. Amyrgialaki E., Makris D.P., Mauromoustakos A., Kefalas P. Optimisation of the extraction of pomegranate (Punica granatum) husk phenolics using water/ethanol solvent systems and response surface methodology // Industrial Crops and Products. 2014. Vol. 59. Pp. 216-222.

14. Skrebets T.E., Ivakhnov A.D., Sadkova K.S., Bogolitsyn K.G. Solvatochromic Polarity Parameters of Carbon Dioxide in the Sub- and Supercritical State // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2021. Vol. 15, no. 7. Pp. 1142-1145. DOI: 10.1134/S1990793121070149.

15. Skrebets T.E., Ivakhnov A.D., Bogolitsyn K.G., Sadkova K.S. Solvatochrome Parameters of the Polarity of Binary Carbon Dioxide-Alcohol Systems at Elevated Temperatures and Pressures // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2021. Vol. 95, no. 11. Pp. 2249-2256. DOI: 10.1134/S0036024421110212.

16. Sedlakova J., Lojkova L., Kuban V. Chromatographic determination of monoterpens in spruce needles (Picea abies, P.omorica andP.pungens) after supercritical fluid extraction // Chem. Pap. 2002. Vol. 57. Pp. 359-363.

17. Orav A., Koel M. Simaltaneous distillation, extraction and supercritical fluid extraction for isolating volatiles and other materials from conifer needles // Journal of Essential oil research. 1998. Vol. 10. N4. Pp. 387-393. DOI: 10.1080/10412905.1998.9700928.

18. Strizincova P., Haz A., Valka J., Surina I. Using of spruce needle extractives as protection agent against ensects attack // Journal of Hygienic Engineering and Design. 2019. Vol. 28. Pp. 96-101.

19. McElroy C.R., Attard T.M., Farmer T.J., Gaczynski A., Thornthwaite D., Clark J.H., Hunt A.J. Valorization of spruce of spruce needle waste via supercritical extraction and fasile isolation of nonacosan-10-ol // J. of cleaner production. 2018. Vol. 171. Pp. 557-566. DOI: 10.1016/j.jclepro.201710.002.

20. Гумеров Ф.М., Сабирзянов А.Н., Гумерова Г.И. Суб- и сверхкритические флюиды в процессах переработки полимеров. Казань, 2007. 336 с.

21. Газизов Р.А.и др. Практикум по основам сверхкритических флюидных технологий. Казань, 2010. 452 с.

Поступила в редакцию 14 сентября 2022 г. После переработки 25 октября 2022 г. Принята к публикации 8 декабря 2022 г.

Для цитирования: Скребец Т.Э., Ивахнов А.Д., Репина В.И. Экстракция хлорофиллов и каротиноидов из еловой хвои сверхкритическим диоксидом углерода // Химия растительного сырья. 2023. №2. С. 253-259. DOI: 10.14258/jcprm.20230211878.

Skrebets T.E. *, Ivakhnov A.D., Repina V.I. EXTRACTION OF CHLOROPHYLLS AND CAROTENOIDS FROM SPRUCE NEEDLES WITH SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, nab. Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002

(Russia), e-mail: tskrebets@mail.ru

Supercritical carbon dioxide, being a non-polar solvent, has proven itself well as an extractant for the extraction of nonpolar compounds from plant materials. However, the use of co-solvents that enhance the polar properties of the SO2 in the supercritical state greatly enhances its use for extraction. Wood greens, in particular spruce, contain a large number of useful substances of varying polarity, for which extraction is one of the main extraction methods. Spruce needles were extracted with supercritical carbon dioxide with alcohol additives as co-solvents to extract chlorophylls and carotenoids. The pigment content of the sample obtained by exhaustive Soxhlet extraction with ethanol (isopropanol) was 0.025 mg/g for carotenoids, 0.3 mg/g for chlorophylls. Supercritical pigment extraction was carried out in a Waters MV-10ASFE extractor (USA) at temperatures of 60 °C and 80 °C, varying in pressure from 100 at to 300 at, co-solvent concentration from 0 to 10%, extraction duration from 10 to 60 minutes. Analysis of extracts for carotenoids and chlorophyll was carried out by high-performance liquid chromatography on LC-30 "Nex-era" (Shimadzu), Japan. It has been found that supercritical SO2 at maximum process parameters is capable of extracting three times more carotenoids than chlorophylls. The addition of co-solvents has little or no effect on the amount of carotenoids recovered, while the chlorophyll content of the extract can be increased 4-7 times with ethanol and 3-4 times with iso-propanol.

Keywords: spruce needles, chlorophylls, carotenoids, supercritical fluid extraction, carbon dioxide, co-solvents, extracts, composition.

* Corresponding author.

ЭКСТРАКЦH^ XHOPOOHXHOB H KAPOTHHOH^OB H3 E.HOBOH XBOH

259

References

1. Repyakh S.M., Rubchevskaya L.P. Khimiya i tekhnologiya pererabotki drevesnoy zeleni. [Chemistry and technology of wood greens processing]. Krasnoyarsk, 1994, 320 p. (in Russ.).

2. Petrenko Ye.V., Polyanskaya V.V., Parshikova V.N., Stepen' R.A. VestnikKrasGAU, 2009, no. 6, pp. 88-92. (in Russ.).

3. Patent 2573310 (RU). 2016. (in Russ.).

4. Tatarintseva V.G., Kutakova N.A., Zubov I.N. Khimiya Rastitel'nogo Syr'ya, 2019, no. 3, pp. 69-77. DOI: 10.14258/jcprm.2019034143. (in Russ.).

5. Antonov V.I., Yagodin V.I. Khimiya Rastitel'nogo Syr'ya, 2006, no. 1, pp. 41-44.

6. Zalepugin D.Yu., Til'kunova N.A., Chernyshova I.V., Polyakov V.S. Sverkhkriticheskiye Flyuidy: teoriya i praktika, 2006, vol. 1, no. 1, pp. 27-51. (in Russ.).

7. Bukhanko N., Attard T., Arshadi M., Eriksson D., Budarin V., Hunt A.J., Geladi P., Bergsten U., Clark J. Industrial Crops and products, 2020, vol. 145, article 112096. DOI: 10.1016/j.indcrop.2020.112096.

8. Derrien M., Aghabararnejad M., Grosselin A., Desjardins Y., Angers P., Boumghar Y. LWT - Food Science and Technology, 2018, vol. 93, pp. 79-87. DOI: 10.1016/j.lwt.2018.03.016.

9. Gracia I., Rodriguez J.F., De Lucas, A. Fernandez-Ronco M.P., Garcia M.T. The Journal of Supercritical Fluids, 2011, vol. 59, pp. 72-77. DOI: 10.1016/j.supflu.2011.05.019.

10. Park H.S., Im N.G., Kim K.H. LWT - Food Science and Technology, 2012, vol. 45, no. 1, pp. 73-78. DOI: 10.1016/j.lwt.2011.07.023.

11. Guedes A.C., Giao M.S., Matias A.A., Nunes A.V.M., Pintado M.E., Duarte C.M.M., Malcata F.X. Journal of Food Engineering, 2013, vol. 116, pp. 478-482.

12. Morcelli A., Cassel E., Vargas R., Rech R., Marcilio N. Journal of CO2 Utilization, 2021, vol. 51, article 101649. DOI: 10.1016/j.jcou.2021.101649.

13. Amyrgialaki E., Makris D.P., Mauromoustakos A., Kefalas P. Industrial Crops and Products, 2014, vol. 59, pp. 216-222.

14. Skrebets T.E., Ivakhnov A.D., Sadkova K.S., Bogolitsyn K.G. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2021, vol. 15, no. 7, pp. 1142-1145. DOI: 10.1134/S1990793121070149.

15. Skrebets T.E., Ivakhnov A.D., Bogolitsyn K.G., Sadkova K.S. Russian Journal of Physical Chemistry A, 2021, vol. 95, no. 11, pp. 2249-2256. DOI: 10.1134/S0036024421110212.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

16. Sedlakova J., Lojkova L., Kuban V. Chem. Pap, 2002, vol. 57, pp. 359-363.

17. Orav A., Koel M. Journal of Essential oil research, 1998, vol. 10, no. 4, pp. 387-393. DOI: 10.1080/10412905.1998.9700928.

18. Strizincova P., Haz A., Valka J., Surina I. Journal of Hygienic Engineering and Design, 2019, vol. 28, pp. 96-101.

19. McElroy C.R., Attard T.M., Farmer T.J., Gaczynski A., Thornthwaite D., Clark J.H., Hunt A.J. J. of cleaner production, 2018, vol. 171, pp. 557-566. DOI: 10.1016/j.jclepro.201710.002.

20. Gumerov F.M., Sabirzyanov A.N., Gumerova G.I. Sub- i sverkhkriticheskiye flyuidy v protsessakh pererabotki po-limerov. [Sub- and supercritical fluids in polymer processing]. Kazan, 2007, 336 p. (in Russ.).

21. Gazizov R.A. et al. Praktikum po osnovam sverkhkriticheskikhflyuidnykh tekhnologiy. [Workshop on the fundamentals of supercritical fluid technologies]. Kazan, 2010, 452 p. (in Russ.).

Received September 14, 2022 Revised October 25, 2022 Accepted December 8, 2022

For citing: Skrebets T.E., Ivakhnov A.D., Repina V.I. Khimiya Rastitel'nogo Syr'ya, 2023, no. 2, pp. 253-259. (in Russ.).

DOI: 10.14258/jcprm.20230211878.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.