ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭКСТРАКЦИИ КОРНЕВЫХ КУЛЬТУР IN VITRO ШЛЕМНИКА БАЙКАЛЬСКОГО, ШЛЕМНИКА ОБЫКНОВЕННОГО И ЛАПЧАТКИ БЕЛОЙ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 616-003.725:615.322

DOI 10.52653/PPI.2021.10.10.001

оптимизация параметров экстракции корневых культур in vitro шлемника байкальского, шлемника обыкновенного и лапчатки белой

Л.К. Асякина*, канд. техн. наук; А.М. Федорова; Л.С. Дышлюк, канд. биол. наук Кемеровский государственный университет

Дата поступления в редакцию 13.02.2021 Дата принятия в печать 13.09.2021

* alk_kem@mail.ru

© Асякина Л.К., Федорова А.М., ДышлюкЛ.С., 2021

Реферат

Настоящая работа затрагивает тему оптимизации процесса экстракции биологически активных веществ из биомассы корневых культур in vitro лекарственных растений Сибирского федерального округа, а именно шлемника байкальского, шлемника обыкновенного и лапчатки белой. Параметры, которые влияли на ход процесса, были выбраны следующие: продолжительность процесса, температура экстракции и гидромодуль. В ходе эксперимента выяснилось, что для максимального выхода экстракта шлемника байкальского необходимо соблюдать следующие параметры: соотношение объема растворителя, наиболее эффективного в данном случае 70 %-ного этанола, к массе исходного сырья 1:10, продолжительность процесса 60 мин, температура 50 С. Максимальный выход биологически активных веществ из шлемника обыкновенного будет достигаться при температуре экстракции 60 °С в течение 60 мин с использованием 70 %-ного этанола в качестве органического растворителя в соотношении к высушенному образцу 1:10. Оптимальные параметры извлечения активных веществ из лапчатки белой: соотношение экстрагента, в качестве которого выступает диэтиловый эфир, к исходному сырью 1:20, продолжительность 60 мин при температуре экстракции 40 °С. Извлечение экстрактов из культур in vitro позволит сохранить популяцию растений, произрастающих в естественных условиях.

Ключевые слова

БАВ, корневые культуры, лекарственные растения, параметры, экстракция Для цитирования

Асякина Л.К., Федорова А.М., Дышлюк Л.С. (2021) Оптимизация параметров экстракции корневых культур in vitro шлемника байкальского, шлемника обыкновенного и лапчатки белой // Пищевая промышленность. 2021. № 10. С. 82-85.

Optimization of the parameters of in vitro extraction of root cultures Scutellaria galericulata, Scutellaria Baicalensis, Potentilla alba

This work touches on the topic of optimization of the process of extraction of biologically active substances from the biomass of root cultures in vitro of medicinal plants of the Siberian Federal District, namely Scutellaria galericulata, Scutellaria Baicalensis, Potentilla alba. The parameters that influenced the course of the process were chosen as follows: process duration, extraction temperature and hydronic module. In the course of the experiment, it turned out that for the maximum yield of the Scutellaria Baicalensis extract, the following parameters must be observed: the ratio of the volume of the solvent, the most effective in this case 70% ethanol, to the weight of the feedstock 1:10, the duration of the process is 60 min, the temperature is 50 °C. The maximum yield of biologically active substances from Scutellaria galericulata will be achieved at an extraction temperature of 60 °C for 60 minutes using 70 % ethanol as an organic solvent in a ratio of 1:10 to the dried sample. The optimal parameters for the extraction of active substances from Potentilla alba are: the ratio of the extractant, which is diethyl ether, to the feedstock 1:20, lasting 60 minutes at an extraction temperature of 40 °C. The extraction of extracts from in vitro cultures will allow preserving the population of plants growing in natural conditions.

Key words

extraction, medicinal plants, biologically active substances, root cultures, parameters For citation

Asyakina L.K., Fedorova A.M., Dyshlyuk L.S. (2021) Optimization of the parameters of in vitro extraction of root cultures Scutellaria galericulata, Scutellaria Baicalensis, Potentilla alba // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2021. No. 10. P. 82-85.

L.K. Asyakina*, Candidate of Technical Sciences; A.M. Fedorova; L.S. Dyshlyuk, Candidate of Biological Sciences Kemerovo State University

Received: February 13, 2021 Accepted: September 13, 2021

* alk_kem@mail.ru

© Asyakina L.K., Fedorova A.M., Dyshlyuk L.S., 2021

Abstract

82 10/2021 пищевая ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ISSN 0235-2486

Введение. Растения являются прекрасным источником биоактивных вторичных метаболитов, которые используются в производстве лекарств, косметики, добавок к пище в виде ароматизаторов и красителей и др. Последние достижения в области биотехнологии позволяют судить, что эти биологически активные вещества (БАВ) могут быть извлечены из асептической культуры растительных клеток, тканей и органов, полученных in vitro.

Лекарственные растения играют важную роль в профилактике и лечении болезней человека. Присутствующие в них биоактивные фитохимические вещества участвуют в укреплении здоровья и профилактике заболеваний. Лекарственные растения Сибирского федерального округа (СФО) с давних времен использовались в народной медицине. Так, в составе шлемника обыкновенного Scutellaria galericulata присутствуют флавоноиды, имеющие различную биологическую активность. Растение обладает мочегонным и кровоостанавливающим действием при всех видах кровотечений. также применяется для обеззараживания ран, помогает справиться с кашлем в период простудных заболеваний, облегчая вывод мокроты. Химический состав шлемника байкальского Scutellaria Baicalensis представлен флавоноидами (байкалин, байкалеин, вогонин и скутеллаеин), сапонинами, стероидами, дубильными веществами, кумаринами, макро- и микроэлементами. В частности, байкалин и вогонин могут препятствовать развитию раковых клеток, замедлять их рост и благотворно влиять на центральную нервную систему. Лекарственное растение обладает противовирусными и антиоксидантными свойствами, нормализует сердечную деятельность. Химический состав лапчатки белой Potentila alba представлен элементарным йодом и анионами йодистой кислоты, химическими элементами: кремнием, алюминием, цинком, марганцем и другими макро- и микроэлементами. Лапчатку белую используют для лечения заболеваний сердца, щитовидной железы и желудочно-кишечного тракта. Растение обладает антисептическим, антибактериальным и ранозаживляю-щим действием. Именно данным лекарственным растениям посвящена настоящая работа [1, 2].

С ростом спроса на новые продукты, полученные из лекарственных растений, культивирование in vitro стало надежным методом массового производства растительного материала, поскольку синтез биоактивных вторичных метаболитов протекает в контролируемой среде, независимо от климата и почвенных условий, а также культура клеток снизит нагрузку на уже чрезмерно используемые лекарственные растения. Применение культуры клеток растений дает толчок для создания крупномасштабного производства важных

биологически активных соединений на промышленном уровне [3].

Одной из основных задач является эффективное извлечение ценных биологических веществ из растительных культур (в данной работе использовались корневые культуры лекарственных растений) с минимальными потерями БАВ. Поэтому выбор метода экстракции и подбор оптимальных параметров процесса являются первостепенной целью.

Цель работы - оптимизация параметров экстракции комплекса метаболитов из высушенных корневых культур in vitro лекарственных растений СФО: шлемника обыкновенного, шлемника байкальского и лапчатки белой, а также подбор наиболее эффективных экстрагентов в отношении определенного растения.

Научные исследования, проводимые ранее, касались оптимизации параметров экстрагирования БАв из каллусных и суспензионных культур лекарственных растений, а также подбора органического растворителя в отношении каждого растения [4, 5].

Экспериментальная часть. В научно-исследовательской работе объектами исследования выступали корневые культуры in vitro растений, произрастающих в СФО: шлемник обыкновенный, шлемник байкальский и лапчатка белая.

Экстракцию биологически активных веществ производили по следующей методике. На первом этапе были получены высушенные до постоянной массы корневые культуры in vitro лекарственных растений. Навески образцов взвешивали до массы в 1 г и помещали в пробирки объемом 50 мл. К высушенным образцам вводили экстрагенты по 35 мл в каждую пробирку и ставили на шейкер в течение часа с целью тщательного перемешивания. Полученный раствор подвергали фильтрованию и центрифугированию при 4000 об./мин. Следующим этапом было упаривание фугата при пониженном давлении в колбе на 100 мл, массу которой предварительно определяли. По завершении процесса упаривания взвешивали колбы с образцами и из полученного результата вычитали массу пустых колб. Таким образом рассчитывали выход экстрактов лекарственных растений [6].

Также были проведены эксперименты по процессу экстрагирования с использованием различных органических растворителей и определения их эффективности в отношении каждого растительного образца в зависимости от природы экс-трагента.

Следующим шагом в работе было достижение оптимизации получения экстрактов из корневых культур лекарственных растений шлемника обыкновенного, шлемника байкальского и лапчатки белой, выращенных in vitro. Варьируемыми параметрами процесса экстракции выступали продолжительность, температура процесса и соотношение объема экстра-гента к высушенной массе корневых культур шлемника обыкновенного, шлемника байкальского и лапчатки белой.

Результаты и их обсуждение. Результаты подбора оптимального органического растворителя по отношению к каждому растительному образцу шлемника обыкновенного, шлемника байкальского и лапчатки белой представлены в табл. 1.

По результатам таблицы можно сделать заключение, что наиболее эффективным органическим растворителем в отношении корневой культуры in vitro шлемника байкальского является 70 %-ный этанол -выход сухого экстракта составил 10,32 %. Для лапчатки белой эффективнее всего использовать диэтиловый эфир - выход сухого экстракта при его применении достигает 16,37 %. Лучшим экстрагентом в отношении шлемника обыкновенного будет считаться использование 70 %-ного этанола - выход сухого экстракта составит 10,72 %.

Результаты оптимизации получения экстрактов из растительных корневых культур in vitro шлемника обыкновенного, шлемника байкальского и лапчатки белой приводятся на графиках и в таблицах. Эксперимент оценивался по максимальному выходу сухого экстракта.

На рис. 1 и 2 отражены результаты подбора оптимальных параметров экстракции биологически активных веществ из высушенной биомассы корневых культур in vitro шлемника байкальского. Исход эксперимента зависел от продолжительности экстракции, температуры процесса и гидромодуля.

Таблица 1

Результаты подбора экстрагента для получения экстрактов из корневых культур in vitro лекарственных растений

Наименование растения Выход тотального экстракта, %

Метанол Этилаце-тат Ацетон Изопро-панол Диэтило-вый эфир 70%-ный этанол

Шлемник байкальский 3,12±0,31 1,53±0,15 4,62±0,46 2,74±0,27 0,87±0,09 10,32±1,03

Лапчатка белая 3,61±0,36 1,27±0,13 0,31±0,03 1,70±0,17 16,37±1,64 5,11±0,51

Шлемник обыкновенный 1,78±0,18 0,89±0,09 0,46±0,05 2,05±0,21 0,43±0,04 10,72±1,07

Продолжительность процесса, мин

Рис. 1. Выход сухого экстракта комплекса БАВ из биомассы корневых культур in vitro шлемника байкальского в зависимости от продолжительности процесса и гидромодуля

10 30 60 120 180 360

Продолжительность процесса, мин Рис. 3. Выход сухого экстракта комплекса БАВ из биомассы корневых культур in vitro шлемника обыкновенного в зависимости от продолжительности процесса и гидромодуля

-25°С -40СС -50°С -10СГС

30 60 120 180 360

Продолжительность процесса, мин

Рис. 2. Выход сухого экстракта комплекса БАВ из биомассы корневых культур in vitro шлемника байкальского в зависимости от продолжительности процесса и температуры

-40°С -60°С -70°С - 100°С

10 30 60 120 ISO 360

Продолжительность процесса, мин Рис. 4. Выход сухого экстракта комплекса БАВ из биомассы корневых культур in vitro шлемника обыкновенного в зависимости от продолжительности процесса и температуры

Таблица 2

Выход сухого экстракта комплекса БАВ из биомассы корневых культур in vitro лапчатки белой в зависимости от продолжительности процесса и гидромодуля

Выход экстракта, %, при разной продолжительности процесса, мин

п/п m р-ля/ культуры 10 30 60 120 180 360

1 1:1 0,50+0,05 0,81±0,08 1,22±0,12 1,29+0,13 1,38+0,14 1,38+0,14

2 1:2 0,80±0,08 0,94±0,09 1,35+0,14 1,58±0,16 1,67+0,17 1,71+0,17

3 1:5 1,20±0,12 1,80±0,18 2,78±0,28 4,12+0,41 4,45+0,45 4,81+0,48

4 1:10 1,40±0,14 3,98±0,39 12,46+1,25 13,45+1,35 14,12+1,41 14,37+1,44

5 1:20 1,40±0,14 2,01±0,20 17,57±1,76 16,35+1,64 16,41+1,64 16,53+1,65

Таблица 3

Выход сухого экстракта комплекса БАВ из биомассы корневых культур in vitro лапчатки белой в зависимости от продолжительности процесса и температуры

Темпера- Выход экстракта, %, при разной продолжительности процесса, мин

п/п тура °С 10 30 60 120 180 360

1 25 1,20+0,12 1,80+0,18 2,78+0,28 5,88+0,59 5,95+0,60 5,81+0,58

2 40 1,55+0,16 1,98+0,20 16,92±1,69 16,21+1,62 16,18+1,62 16,24+1,62

3 60 1,79+0,18 2,35+0,24 16,68+1,67 17,74+1,77 17,01+1,70 17,12+1,71

4 100 1,62+0,16 2,14+0,21 16,04+1,60 17,12+1,71 17,14+1,71 17,17+1,72

Таким образом, наиболее оптимальными параметрами для проведения процесса экстракции комплекса биологически активных веществ из корневых культур лекарственного растения шлемника байкальского являются температура 50 °С, продолжительность процесса 60 мин и гидромодуль 1:10. При данных параметрах достигается самый высокий выход экстракта - 16,38 %. В качестве органического растворителя выступает 70 %-ный этанол.

Результаты оптимизации получения экстрактов БАВ из высушенной биомассы корневых культур лекарственного растения лапчатки белой в зависимости от температуры, продолжительности экстракции и гидромодуля сведены в табл. 2 и 3.

согласно данным, приведенным в табл. 2 и 3, для максимального выхода экстракта лапчатки белой (17,57 %) процесс экстрагирования нужно проводить при температуре 40 °С в течение 60 мин, используя диэтиловый эфир в качестве экс-трагента в соотношении к массе исходного сырья 1:20.

Результаты подбора оптимальных параметров экстрагирования БАВ, в качестве которых выступали температура, продолжительность и гидромодуль, из корневых культур шлемника обыкновенного изображены на рис. 3 и 4.

Анализируя графики, изображенные на рис. 3 и 4, можно заключить, что для извлечения комплекса БАВ из биомассы корневых культур шлемника обыкновенного процесс нужно проводить при температуре 60 °С в течение 60 мин с применением 70 %-ного этанола в качестве органического растворителя в со-

отношении к высушенным образцам 1:10. Максимальный выход экстракта при этом составит 18,68 %.

Выводы. Окончательные результаты по извлечению биоактивных вторичных метаболитов корневых культур in vitro лекарственных растений шлемника байкальско-

84 10/2021 ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ISSN 0235-2486

Таблица 4

Оптимальные параметры получения экстрактов из корневых культур лекарственных

растений

Растение Органический растворитель Гидромодуль Продолжительность, мин Температура, °С

Шлемник байкальский 70 %-ный этанол 1:10 60 50

Лапчатка белая Диэтиловый эфир 1:20 60 40

Шлемник обыкновенный 70 %-ный этанол 1:10 60 60

го, шлемника обыкновенного, лапчатки белой объединены в итоговую табл. 4.

Таким образом, для вышеописанных корневых культур лекарственных растений были подобраны оптимальные параметры - продолжительность, температура, гидромодуль с целью получения экстрактов с максимальным содержанием в них комплекса БАВ. Проведенные исследования предоставят возможность к более углубленному изучению представленных образцов и проведению испытаний новых.

Экстракция - важный первый шаг в анализе лекарственных растений, поскольку необходимо извлечь желаемые химические компоненты из растительного сырья с максимальным выходом БАВ и минимальными экономическими затратами для дальнейшего продуктивного использования их в промышленности. Биотехнологические методы позволяют грамотно и полно осуществить все этапы выделения ценных веществ, содержащихся в лекарственных растениях.

Работы выполняются в рамках государственного задания по теме «Скрининг биологически активных веществ растительного происхождения, обладающих, геропротекторными свойствами, и разработка технологии получения нутрицевти-ков, замедляющих, старение» (номер темы FZSR-2020-0006).

ЛИТЕРАТУРА

1. Alamgir, A.N.M. Biotechnology, In Vitro Production of Natural Bioactive Compounds, Herbal Preparation, and Disease Management (Treatment and Prevention) // Therapeutic Use of Medicinal Plants and their Extracts. - 2018. -Vol. 2. - No. 74. - P. 585-664.

2. Sasidharan, S. Extraction, isolation and characterization of bioactive compounds from plants extracts / S. Sasidharan, Y. Chen, D. Saravanan, K.M. Sundram, L. Yoga Latha // African Journal of Traditional, Complementary

and Alternative Medicines. - 2011. - Vol. 8. -No. 1. - P. 1-10.

3. Asyakina, L.K. Optimization of extraction parameters of biologically active substances from dried biomass of callus, suspension cells and root cultures in vitro / L.K. Asyakina, O.O. Babich, A.V. Pungin, A.Yu. Prosekov, A.D. Popov, T.V. Voblikova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. -2020. - Vol. 613. - P. 1-5.

4. Асякина, Л.К. Оптимизация параметров экстракции лимонника китайского (Schisandra Chinensis (Turcz.) Baill.) // Сборник материалов Национальной (Всероссийской) конференции. Актуальные направления научных исследований: технологии, качество и безопасность. - 2020. - С. 64-65.

5. Асякина, Л.К. Определение эффективности экстракции биологически активных веществ из биомассы каллусных культур лекарственных растений различными растворителями / Л.К. Асякина, Л.С. Дыш-люк, А.А. Степанова // Сборник тезисов Всероссийской с международным участием онлайн-конференции «Современная биотехнология: актуальные вопросы, инновации и достижения». - Кемерово, 2020. - С. 19-21.

6. Лукин, А.А. Разработка технологии функционального напитка на основе молочной сыворотки с использованием биологически активных веществ лекарственных растений Сибири; дис. ... на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.18.04 / Лукин Андрей Андреевич. - Кемерово, 2019. - 127 с.

REFERENCES

1. Alamgir ANM. Biotechnology, In Vitro Production of Natural Bioactive Compounds, Herbal Preparation, and Disease Management (Treatment and Prevention). Therapeutic Use of Medicinal Plants and their Extracts. 2018. Vol. 2. No. 74. P. 585-664.

2. Sasidharan S, Chen Y, Saravanan D, Sundram KM, Yoga Latha L. Extraction, isolation and characterization of bioactive compounds from plants extracts. African Journal of Traditional Complementary and Alternative Medicines. 2011. Vol. 8. No. 1. P. 1-10.

3. Asyakina LK, Babich OO, Pungin AV, Prosekov AYu, Popov AD, Voblikova TV. Optimization of extraction parameters of biologically active substances from dried biomass of callus, suspension cells and root cultures in vitro. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 613. P. 1-5.

4. Asyakina LK. Optimizatsiya parametrov ekstraktsii limonnika kitayskogo (Schisandra Chinensis (Turcz.) Baill.) [Optimization of extraction parameters of Schisandra Chinensis (Turcz.) Baill]. Sbornik materialov Natsional'noy (Vserossiiskoy) konferentsii. Aktual'nye napravleniya nauchnykh issledovaniy: tekhnologii, kachestvo i bezopasnost' [Collection of materials of the National (All-Russian) conference. Actual directions of scientific Research: technology, quality and safety]. 2020. P. 64-65 (In Russ.).

5. Asyakina LK, Dyshlyuk LS, Stepano-va AA. Opredelenie effektivnosti ekstraktsii biologicheski aktivnykh veshchestv iz biomassy kallusnykh kul'tur lekarstvennykh rasteniy razlichnymi rastvoritelyami [Determination of the efficiency of extraction of biologically active substances from the biomass of callus cultures of medicinal plants with various solvents]. Sbornik tezisov Vserossiiskoi s mezhdunarodnym uchastiem onlain-konferentsii «Sovremennaya biotekhnologiya: aktual'nye voprosy, innovatsii i dostizheniya» [Collection of abstracts of All-Russian online conference with international participation «Modern biotechnology: actual issues, innovations and achievements»]. Kemerovo, 2020. P. 19-21 (In Russ.).

6. Lukin AA. Razrabotka tekhnologii funktsional'nogo napitka na osnove molochnoy syvorotki s ispol'zovaniem biologicheski aktivnykh veshchestv lekarstvennykh rasteniy Sibiri [Development of a technology for a functional drink based on milk whey using biologically active substances of medicinal plants in Siberia]; thesis of Candidate of Technical Sciences: 05.18.04. Kemerovo, 2019. 127 p. (In Russ.)

Авторы

Асякина Людмила Константиновна, канд. техн. наук,

Федорова Анастасия Михайловна,

Дышлюк Любовь Сергеевна, канд. биол. наук

Кемеровский государственный университет, 650000, г. Кемерово,

ул. Красная, д. 6, alk_kem@mail.ru,

anastasija.fedorova-af2014@yandex.ru, soldatovals1984@mail.ru

Authors

Lyudmila K. Asyakina, Candidate of Technical Sciences, Anastasiya M. Fedorova,

Lyubov' S. Dyshlyuk, Candidate of Biological Sciences Kemerovo State University, 6, Krasnaya str., Kemerovo, 650000, alk_kem@mail.ru, anastasija.fedorova-af2014@yandex.ru, soldatovals1984@mail.ru