Научная статья на тему 'ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВОДНО-СПИРТОВОЙ СМЕСЬЮ ИЗ ПЛОДОВ VACCINIUM VITIS-IDAEA L., ПРОИЗРАСТАЮЩЕЙ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ'

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВОДНО-СПИРТОВОЙ СМЕСЬЮ ИЗ ПЛОДОВ VACCINIUM VITIS-IDAEA L., ПРОИЗРАСТАЮЩЕЙ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
0
0
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Химия растительного сырья
Scopus
ВАК
AGRIS
CAS
RSCI
Ключевые слова
Vaccinium vitis-idaea L / плоды / ультразвуковая экстракция / оптимизация / биологически активные вещества / Арктика / Vaccinium vitis-idaea L. / fruits / ultrasound-assisted extraction / optimization / biologically active substances / Arctic

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Середа Лидия Николаевна, Цветов Никита Сергеевич

Плоды брусники обыкновенной (Vaccinium vitis-idaea L.) – вечнозеленого кустарничка семейства вересковых (Ericaceae Juss.), произрастающего на всей территории Кольского полуострова, синтезируют значительное количество фенольных соединений с высоким антиоксидантным потенциалом, обусловливающее антиоксидантные, противоопухолевые, антибиотические и ряд других активностей, определяющих помимо их коммерческой еще и высокую фармакологическую ценность. Процесс полного экстрагирования полифенольных компонентов из сложной растительной матрицы требует разработки условий извлечения, направленных на максимальный массоперенос целевых компонентов с минимальной деструкцией соединений. В связи с перспективами использования плодов растений брусники в фармацевтической и косметологической отраслях в настоящей работе впервые проведена оптимизация условий метода ультразвуковой экстракции водно-спиртовой смесью при помощи однофакторного анализа и алгоритма Бокс-Бенкена. Определены кинетические параметры процесса экстрагирования, концентрация экстрагента и мощность ультразвукового воздействия. Установлены общее содержание полифенолов и антиоксидантной активности, а также степень ингибирования свободных радикалов. Отмечено низкое общее содержание флавоноидов. Получены оптимальные параметры проведения процесса экстрагирования, индуцирующие разработку технологий производства компонентов для использования в фармацевтической и косметологической отраслях.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Середа Лидия Николаевна, Цветов Никита Сергеевич

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

OPTIMIZATION OF THE METHOD OF ULTRASONIC EXTRACTION OF BIOLOGICALLY ACTIVE COMPOUNDS WITH AN ALCOHOL-WATER MIXTURE FROM THE FRUITS OF VACCINIUM VITIS-IDAEA L., GROWING ON THE KOLA PENINSULA

Lingonberry (Vaccinium vitis-idaea L.) is a profusely fruiting evergreen berry shrub, which is a hypoactic forest species, growing throughout the Kola Peninsula. Fruits have a number of significant therapeutic properties, such as antioxidant, antitumor, neuroprotective, decongestant, antibiotic, due to a significant content of phenolic compounds. The process of complete extraction of polyphenolic components from a complex plant matrix requires the development of extraction conditions aimed at maximum mass transfer of target components with minimal destruction of compounds. In connection with the prospects of using the fruits of lingonberry plants in the pharmaceutical and cosmetology industries, in this work, for the first time, optimization of the conditions of the method of ultrasonic extraction with a water-ethanol mixture using single-factor analysis and the Box-Benken algorithm was carried out. The kinetics of the extraction process is approximated by the second-order reaction equation. The optimal duration of extraction, the concentration of the extractant, the power of ultrasonic exposure, the diameter of the fractions of plant raw materials, the hydromodule and the extraction temperature were determined. The total content of polyphenols and antioxidant activity, as well as the degree of inhibition of free radicals, were determined. The results obtained can be used in the development of technologies for the production of components for use in the pharmaceutical and cosmetology industries.

Текст научной работы на тему «ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВОДНО-СПИРТОВОЙ СМЕСЬЮ ИЗ ПЛОДОВ VACCINIUM VITIS-IDAEA L., ПРОИЗРАСТАЮЩЕЙ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ»

Химия растительного сырья. 2024. №1. С. 292-300. Khimiya rastitel'nogo syr'ya, 2024, no. 1, pp. 292-300.

DOI: 10.14258/j cprm.20240113108

УДК 66.061.34

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВОДНО-СПИРТОВОЙ СМЕСЬЮ ИЗ ПЛОДОВ VACCINIUM VITIS-IDAEA L., ПРОИЗРАСТАЮЩЕЙ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ*

© Л.Н. Середа1 **, Н.С. Цветов2

1 Лаборатория медицинских и биологических технологий центра

наноматериаловедения ФИЦ «Кольский научный центр РАН»,

ул. Ферсмана, 14, Апатиты, 184209, Россия, sundukpandory87@mail.ru

2 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья

им. И.В. Тананаева ФИЦ «Кольский научный центр РАН», ул. Ферсмана, 26а,

Апатиты, 184209, Россия

Плоды брусники обыкновенной (Vaccinium vitis-idaea L.) - вечнозеленого кустарничка семейства вересковых (Ericaceae Juss.), произрастающего на всей территории Кольского полуострова, синтезируют значительное количество фенольных соединений с высоким антиоксидантным потенциалом, обусловливающее антиоксидантные, противоопухолевые, антибиотические и ряд других активностей, определяющих помимо их коммерческой еще и высокую фармакологическую ценность. Процесс полного экстрагирования полифенольных компонентов из сложной растительной матрицы требует разработки условий извлечения, направленных на максимальный массоперенос целевых компонентов с минимальной деструкцией соединений. В связи с перспективами использования плодов растений брусники в фармацевтической и косметологической отраслях в настоящей работе впервые проведена оптимизация условий метода ультразвуковой экстракции водно-спиртовой смесью при помощи однофакторного анализа и алгоритма Бокс-Бенкена. Определены кинетические параметры процесса экстрагирования, концентрация экстрагента и мощность ультразвукового воздействия. Установлены общее содержание полифенолов и антиоксидантной активности, а также степень ингибиро-вания свободных радикалов. Отмечено низкое общее содержание флавоноидов. Получены оптимальные параметры проведения процесса экстрагирования, индуцирующие разработку технологий производства компонентов для использования в фармацевтической и косметологической отраслях.

Ключевые слова: Vaccinium vitis-idaea L., плоды, ультразвуковая экстракция, оптимизация, биологически активные вещества, Арктика.

Для цитирования: Середа Л.Н., Цветов Н.С. Оптимизация метода ультразвуковой экстракции биологически активных соединений водно-спиртовой смесью из плодов Vaccinium vitis-idaea L., произрастающей на Кольском полуострове // Химия растительного сырья. 2024. №1. С. 292-300. DOI: 10.14258/jcprm.20240113108.

Введение

Брусника обыкновенная (Vaccinium vitis-idaea L.) - обильно плодоносящий вечнозеленый ягодный кустарничек, являющийся гипоарктическим лесным видом, произрастающий в естественных сообществах от тундровой зоны до подзоны средней тайги и распространенный на всей территории Кольского полуострова [1]. Плоды брусники, широко используемые в пищевой промышленности, обладают также рядом значимых терапевтических свойств, таких как антиоксидантные, противоопухолевые, нейропротекторные, противодиабетические, противоотечные, противовоспалительные, антибиотические, обусловленные содержанием антоцианов, проантоцианидинов, терпеноидов, фенольных кислот, флавонолов [2-4].

"Данная статья имеет электронный дополнительный материал (приложение), который доступен читателям на сайте журнала. Б01: 10.14258/)сргш.202401131088

** Автор, с которым следует вести переписку.

Для извлечения биоактивных веществ используются различные растворители, такие как метиловый спирт [5], диэтиловый эфир [6], этилацетат [7], смеси метанола и муравьиной кислоты [8], ацетон [3] и хлороформ [4]. Выбор экстрагента влияет и на состав конечного экстракта и, соответственно, на его биологическую активность. С целью достижения наиболее полного выхода целевых веществ известны примеры использования различных методов экстракции, например, мацерации [4, 5, 7], ультразвуковой [3, 8] и микроволновой экстракции [9], а также экстракции в аппарате Сокслета [6].

Одним из наиболее перспективных методов экстракции, позволяющих сократить время процесса при достаточно низких энергозатратах, является метод ультразвуковой экстракции, основанный на образовании кавитационных пузырьков, схлопывание которых разрушает матрицу растительной клетки и способствует массопереносу целевых компонентов в экстрагент [10]. При этом выбор условий самой экстракции сильно влияет на ее эффективность. Так, во избежание деструкции фенольных соединений необходимо определять мощность ультразвукового воздействия, его продолжительность [11] и полярность экстрагента [12], для увеличения выхода целевых компонентов необходим выбор наиболее подходящего состава экстрагента, а также температуры, диаметра фракций растительного материала растительного и гидромодуля (соотношения массы растительного материала к объему экстрагента) [13, 14]. Однако на данный момент не достает комплексных исследований процессов экстракции биологически активных веществ из изучаемого растения.

Цель настоящей работы - проведение оптимизации условий ультразвуковой экстракции биологически активных веществ из плодов брусники обыкновенной с использованием водно-этанольных смесей.

Экспериментальная часть

Объектами исследования служили плоды брусники обыкновенной, собранные в Мончегорском районе Мурманской обл. в III декаду августа 2022 г. (BBCH 87). Регистрация фенологических фаз производилась по методике [15] с последующим переводом в международную шкалу BBCH [16, 17].

Экстрагирование проводилось методом ультразвуковой экстракции в предварительно термостатированной ультразвуковой ванне VBS-3DP (Велитек, Россия) с частотой 40 кГц и мощностью 120 Вт, с дальнейшим центрифугированием в течение 5 мин в лабораторной центрифуге MiniSpin (Eppendorf, Германия) при 4000 об./мин.

Подготовка растительного материала включала в себя сушку на открытом воздухе и хранение в соответствии с [18], измельчение непосредственно перед проведением исследования и ситование. Для получения экстрактов использовалось растительное сырье, измельченное до величины фракций, проходящих сквозь сито с отверстиями размером 1, 2 и 3 мм.

Оптимизация условий экстрагирования состояла из трех этапов и производилась при помощи одно-факторного анализа [19]. Первый этап включал в себя определение оптимальных продолжительности и кинетических параметров экстракции при температуре (T) 45 °C, мощности ультразвукового воздействия -50%, гидромодуле (отношении объема экстрагента к массе сухого растительного материала (w/v)) - 1 : 30 и диаметре (d) фракций растительного материала - 2 мм. Для аппроксимации полученных данных по кинетике извлечения фенольных компонентов из плодов растений брусники было применено уравнение реакции второго порядка [20, 21], описывающее зависимость значения соответствующего параметра экстракта (Yt) от времени (t) через константу скорости (k, г мг'1 мин-1) и равновесное значение параметра экстракта (Yeq) путем линеаризации в координатах t/Yt от t.

На втором этапе работы определялись оптимальная концентрация водно-спиртовой смеси с содержанием этилового спирта в диапазоне от 0 до 90 об.% и мощность ультразвукового воздействия - от 0 до 120 Вт.

На последнем этапе оптимизации для расчета оптимальных температуры экстракции, гидромодуля и диаметра фракции растительного материала был использован алгоритм Бокс-Бенкен (Box-Behnken experimental design (BBD)). Определяемые параметры и их уровни приведены в таблице 1.

Общее содержание полифенолов (total phenolic content (TPC)), флавоноидов (total flavonoid content (TFC)), антиоксидантной (total antioxidant activity (TAC)) и антирадикальной активности (free radical scavenging (FRS)), проводили в соответствии с [21], с выражением содержания экстрактивных веществ и их активностей в мг эквивалента галловой кислоты (GAE), рутина (RE), аскорбиновой кислоты (AAE) и в %, соответственно, на 1 г сухого растительного материала. Для показателей TAC, TFC использовались натив-ные экстракты, для TPC, FRS - разбавленные в 10 раз.

Оптическую плотность растворов измеряли на фотоколориметре КФК-3-01 (ЗОМЗ, Россия).

Таблица 1. Уровни и значения параметров экстракции биоактивных веществ для алгоритма Бокс-Бенкен

-1 0 1

T, °C 30 45 60

v/m 10 30 50

d, мм 1 2 3

Все химические анализы проводились в 3-кратной повторности. Полученные данные представлены в виде средних значений ± стандартное отклонение и в %. Статистическая значимость различий обсуждаемых результатов оценивалась с помощью однофакторного дисперсионного анализа с последующим применением теста Тьюки при уровне значимости (p-value) <0.05. Расчеты проводились в MS Excel 2021 (Microsoft, США). Обработка данных оптимизации по алгоритму Бокс-Бенкен проводилась с помощью моделирования поверхности отклика в программе Design-Expert 11 Trial (Stat-Ease Inc., США). Правильность выбора модели оценивалась с помощью коэффициента детерминации (R2) и величиной ошибки неадекватности подбора (Lack of fit).

Результаты и обсуждение

Полученные значения кинетических параметров приведены в таблице 2, сравнение экспериментальных данных и аппроксимационной кривой - на рисунке 1. Показано, что полученные данные достаточно хорошо аппроксимируются уравнением реакции второго порядка.

В ходе проведения кинетических исследований в плодах растений брусники установлено низкое содержание флавоноидов (1.4±0.1 мг RE/г), в связи с чем дальнейшее определение влияния параметров экстрагирования на содержание флавоноидов нецелесообразно.

Результаты подбора оптимальной концентрации экстрагента в диапазоне от 0 до 90 об.% представлены на рисунке 2. Видно, что наибольшее извлечение полифенольных компонентов происходит водно-спиртовой смесью с содержанием 50 об.% этанола (41.9±0.5 мг GAE/г, p<0.05) и смесью с содержанием 80 об.% для соединений, проявляющих антиоксидантную и антирадикальную активности (60.4±1.1 мг AAE/г и 58.7±1.5% соответственно, p<0.05). На рисунке 3 отмечено влияние мощности ультразвукового воздействия в диапазоне от 0 до 120 Вт на степень извлечения целевых компонентов исследуемых экстрактов. Максимальное общее содержание полифенолов и их антиоксидантной активности достигается при мощности 60 Вт (41.3±0.5 мг GAE/г и 56.0±1.3 мг AAE/г соответственно, p<0.05), наибольшая степень ин-гибирования свободных радикалов - при 120 Вт (56.7±1.4%, p<0.05).

Поверхности отклика для общих содержаний полифенолов (TPC) и антиоксидантной активности (TAC) представлены на рисунках 4 и 5 и описываются уравнениями:

TPC=41.38+5.88-A+5.66-B-10.33-C+1.55-AB+0.88-AC-8.43-BC-4.34-A2-3.09-B2-5.17-C2+6.10-A2C-3.68-AB2 TAC=56.20+8.25-A+8.50-B-12.85-C+1.88-AB+0.88-AC-9.85-BC-6.43-A2-1.55-B2-6.05-C2-6.88-A2B+9.03-A2C,

где A - температура; °С, B - гидромодуль; C - диаметр фракции растительного материала, мм.

Результаты дисперсионного анализа для уравнений, описывающих значения TPC и TAC, приведены в таблицах 1 и 2 электронного приложения. Из величины P-value, которая для значимых параметров должна быть меньше 0.05, видно, что в случае полифенольных компонентов, значимыми являются все параметры, для общей антиоксидантной активности - все, кроме AB, AC и B2. Исключение незначимых термов из моделей ведет к уменьшению коэффициентов детерминации и снижению ошибки неадекватности подбора (Lack of fit) до значимых значений P-value. Коэффициент детерминации (R2) для TPC составил 0.9995, для TAC -0.9927. Величины Lack of fit являются незначимыми и для TPC, и для TAC.

Исходя из полученных данных были рассчитаны оптимальные условия экстракции и проведен контрольный эксперимент: мощность ультразвукового воздействия - 60 Вт, температура экстракции - 47 °С, продолжительность экстракции - 10 мин, диаметр фракций растительного сырья - 1 мм, концентрация экстрагента - 50 об.%, гидромодуль 1 : 50, результаты которого согласуются с прогнозируемыми. Сравнение расчетных и полученных данных приведено в таблице 3.

Таблица 2. Результаты определения равновесных значений параметров экстракта (Уец) и констант скорости (к) их высвобождения из плодов брусники обыкновенной

Yeq, мг/г к, 10'3 г мг'1 мин'1

TPC 40.8±0.3 39.3

TFC 1.4±0.1 -4.7

TAC 46.0±0.8 7.2

FRS 60.9±1.0 13.9

в г

Рис. 1. Результаты сравнения экспериментальных данных кинетики экстракции фенольных соединений (а, б) и их активностей (в, г) из плодов брусники обыкновенной с аппроксимационной кривой

б

а

С(ЕЮН),1 в

Рис. 2. Влияние концентрации экстрагента на общее содержание полифенолов (а) и их активностей (б, в) в экстрактах плодов брусники обыкновенной

б

а

60 \л/, Вт а

Рис. 3. Влияние мощности ультразвукового воздействия на общее содержание полифенолов (а) и их активностей (б, в) в экстрактах плодов брусники обыкновенной

Рис. 4. Поверхность отклика общего содержания полифенолов от температуры (А), гидромодуля (В) и диаметра фракции растительного материала (С)

\Л/,Вт в

б

растительного материала (C)

Таблица 3. Сравнение расчетных (calc) и экспериментальных (exp) данных общего содержания

полифенолов (TPC) и общей антиоксидантной активности (TAC) экстрактов плодов брусники

TPCcalc TPCexp TACcalc TACexp

57.7 58.1 80.6 81.5

Заключение

В настоящей работе впервые оптимизированы условия ультразвуковой экстракции биологически активных веществ из плодов Vaccinium vitis-ideae Ь. с помощью водно-этанольных смесей при помощи одно-факторного анализа и алгоритма Бокс-Бенкен. Кинетика процесса экстрагирования аппроксимирована уравнением реакции второго порядка. Установлена оптимальная продолжительность экстракции - 10 мин. С помощью однофакторной оптимизации также были определены концентрация экстрагента - 50 об.%, мощность ультразвукового воздействия - 60 Вт. С использованием алгоритма Бокс-Бенкена и последующей аппроксимацией поверхностей отклика были рассчитаны диаметр фракций растительного сырья - 1 мм, гидромодуль - 1 : 50 и температура экстракции - 47 °С. Полученные результаты могут способствовать развитию разработки технологий производства компонентов для использования в фармацевтической и космето-логической отраслях из плодов брусники обыкновенной.

Дополнительная информация

В электронном приложении к статье (DOI: http://www.doi.org/10.14258/jcprm.20240113108s) приведен дополнительный экспериментальный материал, раскрывающий основные положения, изложенные в статье.

Финансирование

Работа была выполнена в рамках темы НИР № FMEZ-2023-0012

Конфликт интересов

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Открытый доступ

Эта статья распространяется на условиях международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (https://creativecommons.Org/licenses/by/4.0/), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что вы дадите соответствующие ссылки на автора(ов) и источник и предоставите ссылку на Лицензию Creative Commons и укажете, были ли внесены изменения.

Список литературы

1. Раменская М.Л. Анализ флоры Мурманской области и Карелии. Л., 1983. 216 с.

2. Kowalska K. Lingonberry (Vaccinium vitis-idaea L.) fruit as a source of bioactive compounds with health-promoting effects - A review // International Journal of Molecular Sciences. 2021. Vol. 22, no. 10. Article 5126. DOI: 10.3390/ijms22105126

3. Vilkickyte G., Petrikaite V., Pukalskas A., Sipailiene A., Raudone L. Exploring Vaccinium vitis-idaea L. as a potential source of therapeutic agents: Antimicrobial, antioxidant, and anti-inflammatory activities of extracts and fractions // Journal of Ethnopharmacology. 2022. Vol. 292. Article 115207. DOI: 10.1016/j.jep.2022.115207.

4. Vilkickyte G., Petrikaite V., Marksa M., Ivanauskas L., Jakstas V., Raudone L. Fractionation and Characterization of Triterpenoids from Vaccinium vitis-idaea L. Cuticular Waxes and Their Potential as Anticancer Agents // Antioxidants. 2023. Vol. 12, no. 2. Article 465. DOI: 10.3390/antiox12020465.

5. Grace M.H., Esposito D., Dunlap K.L., Lila M.A. Comparative analysis of phenolic content and profile, antioxidant capacity, and anti-inflammatory bioactivity in wild Alaskan and commercial Vaccinium berries // Journal of agricultural and food chemistry. 2014. Vol. 62, no. 18. Pp. 4007-4017. DOI: 10.1021/jf403810y.

6. Szakiel A., Pqczkowski C., Koivuniemi H., Huttunen S. Comparison of the triterpenoid content of berries and leaves of lingonberry Vaccinium vitis-idaea from Finland and Poland // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2012. Vol. 60, no. 19. Pp. 4994-5002. DOI: 10.1021/jf300375b.

7. Drözdz P., Seziene V., Wöjcik J., Pyrzynska K. Evaluation of bioactive compounds, minerals and antioxidant activity of lingonberry (Vaccinium vitis-idaea L.) fruits // Molecules. 2017. Vol. 23, no. 1. Article 53. DOI: 10.3390/mole-cules23010053

8. Dincheva I., Badjakov I. Assesment of the anthocyanin variation in bulgarian bilberry (Vaccinium myrtillus L.) and lingonberry (Vaccinium vitis-idaea L.) // International Journal of Medicine and Pharmaceutical Science (IJMPS). 2016. Vol. 6, no. 3. Pp. 39-50.

9. Bujor O-C., Ginies C., Popa V. I., Dufour C. Phenolic compounds and antioxidant activity of lingonberry (Vaccinium vitis-idaea L.) leaf, stem and fruit at different harvest periods // Food chemistry. 2018. Vol. 252. Pp. 356-365. DOI: 10.1016/j.foodchem.2018.01.052.

10. Макарова Н.В., Еремеева Н.Б. Сравнительное изучение влияния ультразвуковых воздействий на экстракцию антиоксидантных соединений ягод черники (Vaccinium myrtillus L.) // Химия растительного сырья. 2020. №1. С. 167-177. DOI: 10.14258/jcprm.2020014425.

11. Матвеева В.И., Ручкина А.Г., Кобраков К.И., Шпигун Л.К., Шмакова Н.С. Сравнительная характеристика экстрактов некоторых растений семейства вересковых и эффективности методов их получения // Химия растительного сырья. 2022. №2. С. 105-112. DOI: 10.14258/jcprm.20220210516.

12. Vrancheva R., Ivanov I., Badjakov I., Dincheva I., Georgiev V., Pavlov A. Optimization of polyphenols extraction process with antioxidant properties from wild Vaccinium myrtillus L. (bilberry) and Vaccinium vitis-idaea L. (lin-gonberry) leaves // Food Science and Applied Biotechnology. 2020. Vol. 3, no. 2. Pp. 149-156. DOI: 10.30721/fsab2020.v3.i2.98.

13. Zhu Y., Yu J., Jiao C., Tong J., Zhang L., Chang Y., Sun W., Jin Q., Cai Y. Optimization of quercetin extraction method inDendrobium officinale by response surface methodology // Heliyon. 2019. Vol. 5, no. 9. DOI: 10.1016/j.heli-yon.2019.e02374.

14. Bitwell C., Indra S.S., Luke C., Kakoma M.K. A review of modern and conventional extraction techniques and their applications for extracting phytochemicals from plants // Scientific African. 2023. Vol. 19, no. 5. Article e01585. DOI: 10.1016/j.sciaf.2023.e01585.

15. Бейдеман И.Н. Методика фенологических наблюдений при геоботанических исследованиях. М.-Л., 1954. 130 с.

16. Meier U., Bleiholder H., Buhr L., Feller C., Hacks H., Hess M., Lancashire P.D., Schnock U., Stauss R., van den Boom T., Weber E., Zwerger P. The BBCH system to coding the phenological growth stages of plants - history and publications // Journal für Kulturpflanzen. 2009. Vol. 61. Pp. 41-52. DOI: 10.5073/JfK.2009.02.01.

17. Meier U. Growth stages of mono- and dicotyledonous plants BBCH. Quedlinburg, 2018. 204 p. DOI: 10.5073/20180906-074619.

18. ОФС.1.1.0011.15. Хранение лекарственного растительного сырья и лекарственных растительных препаратов // Государственная фармакопея РФ, XIV изд. М., 2018. Т. 1. С. 272-275.

19. Tungmunnithum D., Garros L., Drouet S., Renouard S., Laine E., Hano C. Green ultrasound assisted extraction of trans rosmarinic acid from Plectranthus scutellarioides (L.) R. Br. leaves // Plants. 2019. Vol. 8, no. 3. Article 50. DOI: 10.3390/plants8030050.

20. Cavdarova M., Makris D.P. Extraction kinetics of phenolics from carob (Ceratonia siliqua L.) kibbles using environmentally benign solvents // Waste and Biomass Valorization. 2014. Vol. 5. Pp. 773-779. DOI: 10.1007/s12649-014-9298-3.

21. Tsvetov N., Sereda L., Korovkina A., Artemkina N., Kozerozhets I., Samarov A. Ultrasound-assisted extraction of phytochemicals from Empetrum hermaphroditum Hager. using acid-based deep eutectic solvent: kinetics and optimization // Biomass Conversion and Biorefinery. 2022. Vol. 12. Pp. 145-156. DOI: 10.1007/s13399-022-02299-2.

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

Поступила в редакцию 19 июня 2023 г. После переработки 29 августа 2023 г. Принята к публикации 29 августа 2023 г.

Sereda L.N.1*, Tsvetov N.S.2 OPTIMIZATION OF THE METHOD OF ULTRASONIC EXTRACTION OF BIOLOGICALLY ACTIVE COMPOUNDS WITH AN ALCOHOL-WATER MIXTURE FROM THE FRUITS OF VACCINIUM VITIS-IDAEA L., GROWING ON THE KOLA PENINSULA

1 Laboratory for Medical and Biological Technologies, Nanomaterials Research Centre, Federal Research Center Kola

Scientific Center RAS, Fersmana st., 14, Apatity, 184209, Russia,

e-mail: sundukpandory87@mail.ru

2 Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials named after I.V. Tananaeva

Federal Research Center Kola Scientific Center RAS, Fersmana st., 26a, Apatity, 184209, Russia

Lingonberry (Vaccinium vitis-idaea L.) is a profusely fruiting evergreen berry shrub, which is a hypoactic forest species, growing throughout the Kola Peninsula. Fruits have a number of significant therapeutic properties, such as antioxidant, antitumor, neuroprotective, decongestant, antibiotic, due to a significant content of phenolic compounds. The process of complete extraction of polyphenolic components from a complex plant matrix requires the development of extraction conditions aimed at maximum mass transfer of target components with minimal destruction of compounds. In connection with the prospects of using the fruits of lingonberry plants in the pharmaceutical and cosmetology industries, in this work, for the first time, optimization of the conditions of the method of ultrasonic extraction with a water-ethanol mixture using single-factor analysis and the Box-Benken algorithm was carried out. The kinetics of the extraction process is approximated by the second-order reaction equation. The optimal duration of extraction, the concentration of the extractant, the power of ultrasonic exposure, the diameter of the fractions of plant raw materials, the hydromodule and the extraction temperature were determined. The total content of polyphenols and antioxidant activity, as well as the degree of inhibition of free radicals, were determined. The results obtained can be used in the development of technologies for the production of components for use in the pharmaceutical and cosmetology industries.

Keywords: Vaccinium vitis-idaea L., fruits, ultrasound-assisted extraction, optimization, biologically active substances,

Arctic.

For citing: Sereda L.N., Tsvetov N.S. Khimiya Rastitel'nogo Syr'ya, 2024, no. 1, pp. 292-300. (in Russ.). DOI: 10.14258/jcprm.20240113108.

References

1. Ramenskaya M.L. Analiz flory Murmanskoy oblasti i Karelii. [Analysis of the flora of the Murmansk region and Karelia]. Leningrad, 1983, 216 p. (in Russ.).

2. Kowalska K. International Journal of Molecular Sciences6 2021, vol. 22, no. 10, article 5126. DOI: 10.3390/ijms22105126

3. Vilkickyte G., Petrikaite V., Pukalskas A., Sipailiene A., Raudone L. Journal of Ethnopharmacology, 2022, vol. 292, article 115207. DOI: 10.1016/j.jep.2022.115207.

4. Vilkickyte G., Petrikaite V., Marksa M., Ivanauskas L., Jakstas V., Raudone L. Antioxidants, 2023, vol. 12, no. 2, article 465. DOI: 10.3390/antiox12020465.

5. Grace M.H., Esposito D., Dunlap K.L., Lila M.A. Journal of agricultural and food chemistry, 2014, vol. 62, no. 18, pp. 4007-4017. DOI: 10.1021/jf403810y.

6. Szakiel A., Pqczkowski C., Koivuniemi H., Huttunen S. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2012, vol. 60, no. 19, pp. 4994-5002. DOI: 10.1021/jf300375b.

7. Drôzdz P., Sèzienè V., Wôjcik J., Pyrzynska K. Molecules, 2017, vol. 23, no. 1, article 53. DOI: 10.3390/mole-cules23010053

* Corresponding author.

8. Dincheva I., Badjakov I. International Journal ofMedicine and Pharmaceutical Science, 2016, vol. 6, no. 3, pp. 39-50.

9. Bujor O-C., Ginies C., Popa V. I., Dufour C. Food chemistry, 2018, vol. 252, pp. 356-365. DOI: 10.1016/j.food-chem.2018.01.052.

10. Makarova N.V., Yeremeyeva N.B. Khimiya Rastitel'nogo Syr'ya, 2020, no. 1, pp. 167-177. DOI: 10.14258/jcprm.2020014425. (in Russ.).

11. Matveeva V.I., Ruchkina A.G., Kobrakov K.I., Shpigun L.K., Shmakova N.S. Khimiya Rastitel'nogo Syr'ya, 2022, no. 2, pp. 105-112. DOI: 10.14258/jcprm.20220210516. (in Russ.).

12. Vrancheva R., Ivanov I., Badjakov I., Dincheva I., Georgiev V., Pavlov A. Food Science and Applied Biotechnology, 2020, vol. 3, no. 2, pp. 149-156. DOI: 10.30721/fsab2020.v3.i2.98.

13. Zhu Y., Yu J., Jiao C., Tong J., Zhang L., Chang Y., Sun W., Jin Q., Cai Y. Heliyon, 2019, vol. 5, no. 9. DOI: 10.1016/j.heliyon.2019.e02374.

14. Bitwell C., Indra S.S., Luke C., Kakoma M.K. Scientific African, 2023, vol. 19, no. 5, article e01585. DOI: 10.1016/j.sciaf.2023.e01585.

15. Beydeman I.N. Metodika fenologicheskikh nablyudeniyprigeobotanicheskikh issledovaniyakh. [Methodology for phe-nological observations in geobotanical research]. Moscow, Leningrad, 1954, 130 p. (in Russ.).

16. Meier U., Bleiholder H., Buhr L., Feller C., Hacks H., Hess M., Lancashire P.D., Schnock U., Stauss R., van den Boom T., Weber E., Zwerger P. Journal für Kulturpflanzen, 2009, vol. 61, pp. 41-52. DOI: 10.5073/JfK.2009.02.01.

17. Meier U. Growth stages of mono- and dicotyledonous plants BBCH. Quedlinburg, 2018, 204 p. DOI: 10.5073/20180906-074619.

18. Gosudarstvennaya farmakopeya Rossiyskoy Federatsii, XIV izd. [State Pharmacopoeia of the Russian Federation, XIV ed.]. Moscow, 2018, vol. 1, pp. 272-275. (in Russ.).

19. Tungmunnithum D., Garros L., Drouet S., Renouard S., Laine E., Hano C. Plants, 2019, vol. 8, no. 3, article 50. DOI: 10.3390/plants8030050.

20. Cavdarova M., Makris D.P. Waste and Biomass Valorization, 2014, vol. 5, pp. 773-779. DOI: 10.1007/s12649-014-9298-3.

21. Tsvetov N., Sereda L., Korovkina A., Artemkina N., Kozerozhets I., Samarov A. Biomass Conversion andBiorefinery, 2022, vol. 12, pp. 145-156. DOI: 10.1007/s13399-022-02299-2.

Received June 19, 2023 Revised August 29, 2023 Accepted August 29, 2023

Сведения об авторах

Середа Лидия Николаевна - младший научный сотрудник лаборатории медицинских и биологических технологий, sundukpandory87@mail.ru Цветов Никита Сергеевич - кандидат химических наук, научный сотрудник, tsvet.nik@mail.ru

Information about authors

Sereda Lidiya Nikolaevna - junior researcher at the Laboratory of Medical and Biological Technologies, sundukpandory87@mail.ru

Tsvetov Nikita Sergeevich - Candidate of Chemical Sciences, researcher, tsvet.nik@mail.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.