CC BY
1
ГУМАНИТАРНЫЕ НАУКИ
УДК 615.322
Экстракция лекарственных растений в растворах под воздействием ультразвуковых вибраций
А.А. Петруша
Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация)
Аннотация. В статье представлены результаты исследования влияния микровибраций на экстракты растительного сырья. Исследовано влияние частоты и амплитуды на формирование синусоидальных сигналов. Результаты экстракции оценивались по количеству твёрдого остатка после экстракции эхинацеи, оптической плотности раствора, показателям газожидкостной хроматографии и газожидкостной хроматографии/масс -спектрометрии после экстракции валерианы. Наибольший эффект был получен для водных экстрактов. Этот результат был объяснён вращательными колебаниями кластеров растворителя. По мере увеличения количества этанола в растворе размер указанных кластеров уменьшается.
Ключевые слова: Эхинацея пурпурная, экстракт валерианы лекарственной, 70 % этанол, вода, акустический эффект.
Herb Extraction in Different Solutions by Ultrasonic Influence
Aleksandr A Petrusha
Don State Technical University (Rostov-on-Don, Russian Federation)
Abstract. The article presents the results of studying the influence of a weak vibration effect on the extraction of plant raw materials. The influence of frequency and amplitude on the formation of sinusoidal signals is investigated. The extraction results were evaluated by the amount of solid residue after Echinacea extraction, the optical density of the solution, gas-liquid chromatography and gas-liquid chromatography/mass spectrometry after valerian extraction. The greatest effect was obtained for aqueous extracts. This result was explained by rotational vibrations of solvent clusters. As the amount of ethanol in the solution increases, the size of these clusters decreases.
Keywords: Echinacea purpurea, Valeriana officinalis extraction, 70 % ethanol, water, acoustic effect.
Введение. Эхинацея пурпурная (Echinacea purpurea) — одно из самых распространенных и известных лекарственных растений, которое содержит множество биологически активных веществ и используется как лекарственное средство широкого спектра действия. Препараты на основе E. purpurea обладают иммуностимулирующими свойствами благодаря алкамидам, производным кофейной кислоты и полисахаридам [1-3]. Состав, соотношение и фармакологическая активность соединений, выделенных из растения, варьируются в зависимости от метода приготовления настойки или экстракта [4].
Валериана лекарственная (Valeriana officinalis) — распространенное лекарственное растение, в лечебных целях используется вся корневая система этого растения [5-7]. Активность экстрактов валерианы обусловлена взаимодействием нескольких компонентов, а не одного ингредиента или класса компонентов. Корень и корневище богаты эфирными маслами, флавоноидами, алкалоидами, аминокислотами и лигнаноидами, которые обладают характерным ароматом. Валериана обладает седативным, снотворным, желчегонным, гипотензивным и улучшающим коронарное кровообращение действием. Наиболее распространенным препаратом валерианы является спиртовая настойка [8-12].
Целью данного исследования является изучение эффективности метода импульсной модуляции для различных характеристик системы, таких как концентрация раствора этилового спирта, частота и амплитуда генератора. Метод импульсной модуляции использует электрические импульсы для изгибания антенны. Вибрации, возникающие при изгибе антенны, могут способствовать тепло- и массопереносу [13]. Импульсная
https://mid-journal.ru 85
модуляция — это модуляция информации, часто колебаний, в серию импульсов [14]. Низкоэнергетическая импульсная (звуковая) стимуляция может быть использована для максимально эффективного извлечения экстрактивных веществ из исходного растения.
Влияние частоты и амплитуды колебаний в генераторе на экстракцию E. purpurea в 70 % спиртовом растворе
Были исследованы изменения в эффективности вытяжки экстрактивных веществ и цикориевой кислоты в диапазоне частот (300-600 кГц) при экстракции в 70 % спиртовом растворе (таблица 1).
Таблица 1
Зависимость прироста ЭВ и ЦК от частоты: время выдержки —5 часов; амплитуда — 2,8 В; температура — 21°С
Частота, кГц Прирост ЭВ, % Прирост ЦК, %
- 10,9 1,59
300 10,2 1,44
325 10,1 1,44
350 11,1 1,59
375 10,4 1,44
400 10,8 1,44
450 9,7 1,51
475 12,1 1,74
500 10,8 1,59
550 10,3 1,44
600 9,9 1,36
Эффективность достигает своего максимума при частоте 350 кГц. Минимальная погрешность в результатах анализа экспериментов без и с вибрацией — 3 %.
После экстракции содержание ЭВ возросло на 10 %. Эффективность вытяжки зависела от амплитуды сигнала на генераторе (таблица 2).
Таблица 2
Влияние амплитуды сигнала на настои: время выдержки — 5 часов, частота — 475 кГц
Амплитуда, В Прирост ЭВ, % Прирост ЦК, %
2,6 10,9 1,6
2,7 12,5 1,89
2,8 12,1 1,74
2,9 12,1 1,89
3,0 12,8 2,04
3,1 12,3 1,90
3,2 12,1 1,89
Минимальная погрешность в результатах анализа экспериментов без и с вибрацией — 5 %. Под воздействием вибраций с частотой 475 кГц и амплитудой 3 В количество получаемого сухого остатка возросло на 17 % по сравнению с экспериментом без вибраций.
2. Влияние частоты и амплитуды колебаний в генераторе на экстракт эхинацеи в горячей воде При воздействии частот в диапазоне 50-350 кГц было замечено изменение эффективности вытяжки ЭВ и цикориевой кислоты во время экстракции эхинацеи в горячей дистиллированной воде с рН=7,5 (таблица 3).
Таблица 3
Зависимость прироста ЭВ и ЦК от частоты: время выдержки — 2 часа, амплитуда — 2,8 В, температура — 90оС
Частота, кГц Прирост ЭВ, % Прирост ЦК, %
- 25,8 1,98
50 29,7 2,19
100 19,1 1,74
150 21,5 1,89
175 23,8 1,98
200 30,4 2,42
225 31,5 2,57
228 32,9 2,73
250 29,8 2,42
275 29,6 2,42
300 30,7 2,42
350 30,8 2,49
Наибольший результат импульсного метода был замечен при частоте в 228 кГц. Количество сухого остатка возросло на 27 %.
При использовании импульсного метода установлено следующее:
- под воздействием вибраций частотой 475 кГц и амплитудой 3 В получение твердого вещества при экстракции в 70 % растворе этанола возрастает на 17 %;
- при концентрации этанола 40 %, частоте 350 кГц и амплитудой 2,8-3 В происходит прирост на 10 % [15];
- при экстракции в горячей воде под воздействием вибраций с частотой 228 кГц и амплитудой 3,2 В происходит прирост на 35 %.
3. Влияние частоты и амплитуды колебаний в генераторе на экстракцию валерианы в 40 % спиртовом растворе
Под воздействием частоты в диапазоне 200-400 кГц на протяжении четырех часов на корневища валерианы в 40 % растворе этанола произошел прирост продукта валериановой кислоты. Максимальные значения прироста обнаружились при частоте 350 кГц, они равны 35 % (таблица 4). Минимальная погрешность в результатах анализа экспериментов с и без вибраций — 5 %.
Таблица 4
Зависимость прироста ВК, борнилацетата и валеренала от частоты: время выдержки — 4 часа, амплитуда — 2,8 В, температура — 60°С
Частота, кГк Максимум ВК Максимум борнилацетата Максимум валеренала
- 2020 1290 1320
200 1110 1020 1090
250 1480 980 1100
300 1660 1060 1170
350 2860 1430 1520
375 2460 1070 1270
400 2230 980 1260
Выяснилось, что оптимальная частота в данном эксперименте равна оптимальной частоте для 40 % спиртового экстракта эхинацеи. Может быть и так, что оптимальная частота вибраций крайне зависима от типа и размера сырого материала. Зависимость получения ВК от амплитуды сигнала сложна, но имеется оптимальная амплитуда, и она отлична от таковой для экстракта эхинацеи (таблица 5).
Таблица 5
Влияние амплитуды сигнала на экстракцию: время выдержки — 4 ч, частота — 350 кГц, температура — 60оС
Амплитуда, В Максимум ВК Максимум борнилацетата Максимум валеренала
2,4 1850 1000 1150
2,5 3000 1640 1570
2,6 2800 1320 1510
2,7 2850 1210 1170
2,8 2860 1430 1520
2,9 2500 1510 1430
3,0 1810 1630 1680
3,1 2730 1680 1320
Наибольший прирост ВК из экстракта валерианы был замечен при частоте 350 кГц и амплитуде 2,5 В. Влияние амплитуды на экстракцию борнилацетата и валеранала отличается от влияния на экстракт ВК.
Таким образом, оптимальные частота и амплитуда во время вытяжки E. purpurea имеют следующие значения:
- в 40 % спиртовом растворе — 350 кГц и 3,0 В; прирост продукта ЭВ на 13 % [15].
- в 70 % спиртовом растворе, частота 475 кГц и амплитуда 3,0 В позволила повысить содержание ЭВ на 17 % В горячей воде при 228 кГц и 3,2 В, прирост возрастает на 35 %. В воде наблюдается наибольший результат
от использования импульсного метода (таблица 6).
Таблица 6
Влияние амплитуды сигнала на настои: Время выдержки — 2 ч, частота — 228 кГц, температура — 90оС
Амплитуда, В Прирост ЭВ, % Прирост ЦК, %
2,4 29,1 2,42
2,5 33,2 2,65
2,6 33,9 2,65
2,7 27,8 2,19
2,8 32,9 2,72
2,9 30,8 2,49
3,0 33,3 2,57
3,1 30,9 2,49
3,2 34,9 2,8
3,3 33,4 2,57
Для экстрактов валерианы в 40 % спиртовом растворе оптимальная частота воздействия похожа на наиболее эффективную для экстракта эхинацеи в 40 % спиртовом растворе — 350 кГц, но амплитуда оказалась чуть иной — 2,5 вместо 3,0 В. Вероятно, фактором, определяющим оптимальную частоту, является состав растворителя.
4. Объяснение полученных результатов
Известно, что вибрации улучшают ток жидкости по трубам, снижая степень замедляющей движение турбулентности [16]. Возможно также, что влияние вибраций (вибрации образуются при электромагнитных преобразованиях тока в замкнутом проводнике) заставляют сгустки жидкостей вибрировать и вращаться в проводящей ткани растительного материала.
Оптимальная частота, требуемая для раскрутки скоплений, зависит от массы и радиуса частиц. Размер скоплений чистой воды больше и для их раскручивания требуется меньшая частота [16], чем для скоплений из смеси воды и этанола. Возможно, дальнейшее нарастание частоты и амплитуды сверх оптимальных приводит к нарушениям в системе и хаотизации тока жидкости в проводящей ткани.
Заключение. Были подобраны такие состояния низкоэнергетического деформационного импульса, воздействие которых повышает продукт экстрактивных веществ из препаратов эхинацеи на воде и 70 % спиртовом растворе. Для вытяжки валерианы использовался 40 % спиртовой раствор. Наилучший результат замечен в водных экстрактах эхинацеи. Прирост продукции экстрактивных веществ достигал 35 % при
воздействии на препараты вибраций частотой 228 кГц и амплитудой 3,2 В. Выявлено, что оптимальная частота зависит от вида растворителя.
Библиографический список
1. Симонович Е.И., Гончарова Л.Ю., Шиманская Е.И. Влияние удобрений на содержание некоторых тяжёлых металлов и биологическую активность в чернозёме обыкновенном при возделывании эхинацеи пурпурной (Echinacea purpurea Moench. - убрать точку). Фундаментальные исследования. 2012;9:69-72.
2. Wagner H., Hikino H., Farnsworth N. Economic and Medicinal Plant Research. London;1989. p. 253-321.
3. Мамчур Ф.И., Василишин А.А. Химический состав и фармакологические особенности растений рода Echinacea (Asteraceae). Ростов-на-Дону; 2006. 413 с.
4. Муравьев И.А. Технология лекарств: главы 1-2. Москва: Медицина; 1980. 395 с.
5. Chen H.-W., Wei B.-J., He X.-H., et al. Chemical Components and Cardiovascular Activities of Valeriana spp. Evidence-based Complementary and Alternative Medicine. 2015;3:1-12. https://doi.org/10.1155/2015/947619
6. Penzkofer M., Baron A., Naumann A., et al. Characterization of essential oil distribution in the root cross-section of Valeriana officinalis L. s.l. by using histological imaging techniques. Plant Methods. 2018;14:41. https://doi.org/10.1186/s13007-018-0309-4
7. Государственная фармакопея Российской Федерации, XIV изд. в 4 т. Москва: Министерство здравоохранения; 2018. 7024 с.
8. Blumenthal M., Goldberg A., Brinckmann J. Herbal Medicine: Expanded Commission. Integrative Medicine Communications; 2000. p. 394-400.
9. Hendriks H., Geertsma H.J., Malingre T. The occurrence of valeranone and crypto-fauronol in the essential oil of Valeriana officinalis L. s.l. collected in the northern part of The Netherlands. Pharmaceutisch WeekbladScientific Edition. 1981;3:1316-1320. https://doi.org/10.1007/BF02193381
10. Sakamoto T., Mitani Y., Nakajima K. Psychotropic Effects of Japanese Valerian Root Extract. Chemical and Pharmaceutical Bulletin. 1992;40(3):758-761. https://doi.org/10.1248/cpb.40.758
11. Houghton P. Valerian - The Genus Valeriana. Amsterdam: Harwood Academic Publisher; 1997. p. 21-54.
12. Shi J.-L., Liu Y, Xiao P.-G. The chemical constituents and bioactivities of Valeriana officinlais L. World Phytomedicines. 2003;18(6):231-239.
13. Амосов А.С., Дегай А.М., Талашова С.В. и др. Способ получения экстракта валерианы, обладающего седативным действием. Патент РФ № 2098115. 1997. 10 с.
14. Bobkova E.O., Kostyukevich N.G., Vedernikov D.N. Resonant Acoustic Effect on Extraction of Birch Inner Bark with Alkali Solution. Chemistry of Plant Raw Material. 2019;3:285-290.
15. Ипанова Е.М., Зарембо Д.В., Ведерников Д.Н. Increase in the Yield of Cinnamic Acids Derivatives from Echinacea as a Result of Weak Acoustic Effects. Химия Растительного Сырья. 2021;2:327-331.
16. Watson E.J. Diffusion in oscillatory pipe flow. Journal of Fluid Mechanics. 1983;133:233-244. https://doi.org/10.1017/S0022112083001883
Об авторе:
Петруша Александр Александрович, студент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и инженерная экология» (Т-Университет) Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), skuggan alexander576@mail.ru
About the Author:
Aleksandr A Petrusha, Bachelor's degree student of the Life Safety and Environmental Engineering Department (T-University), Don State Technical University (1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003, RF), skuggan alexander576@mail.ru
