CC BY
25
УДК 66.083.3; 66.061.3
Демкин К.М., Лебедева Е.С., Худеев И.И.
ПОЛУЧЕНИЕ ЭКСТРАКТА ИЗ ЯКОРЦЕВ СТЕЛЮЩИХСЯ МЕТОДОМ СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ ЭКСТРАКЦИИ
Демкин Кирилл Максимович - магистр 1-го года обучения кафедры химического и фармацевтического инжиниринга.
Лебедева Елена Сергеевна - магистр 2-го года обучения химического и фармацевтического инжиниринга. Худеев Илларион Игоревич - к. т. н., младший научный сотрудник кафедры химического и фармацевтического инжиниринга.
«Кафедра химического и фармацевтического инжиниринга», 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
В ходе работы была разработана методика получения экстрактов якорцев стелющихся с применением процесса сверхкритической экстракции. Получен экстракт якорцев стелющихся с применением в качестве экстрагента чистого сверхкритического диоксида углерода, а также смеси сверхкритического диоксида углерода с этиловым спиртом.
Ключевые слова: сверхкритическая экстракция, якорцы стелющиеся, экстракция, сверхкритические флюиды, сверхкритический диоксид углерода
OBTAINING AN EXTRACT FROM TRIBULUS TERRESTRIS BY SUPERCRITICAL EXTRACTION
Demkin K.M., Lebedeva E.S., Hudeev I.I.
"Department of Chemical and Pharmaceutical Engineering", Moscow, Russian Federation
In the course of the work, a method was developed for obtaining extracts of Tribulus Terrestris using the supercritical extraction process. An extract of Tribulus Terrestris was obtained using pure supercritical carbon dioxide as an extractant, as well as a mixture of supercritical carbon dioxide with ethyl alcohol.
Keywords: supercritical extraction, Tribulus Terrestris, extraction, supercritical fluids, supercritical carbon dioxide
Введение
Современная фармацевтика активно использует растительное сырье для лечебных и профилактических целей. Лекарственные растения содержат широкий спектр различных биологически активных веществ (БАВ). Эти вещества оказывают биологическое действие на организм человека, однако, не синтезируются в нем, что обуславливает важность исследования и получения БАВ из растений [2]. Одним из источников различных БАВ являются якорцы стелющиеся (ТпЪы1ш terrestris), произрастающие в теплых регионах Азии, Европы, Америки, Африки и Австралии [3]. В Российской Федерации произрастают в европейской части, в Западной и Восточной Сибири и республике Крым [4]. Их различные части содержат множество БАВ, таких как стероидные сапонины, флавоноиды, флавоноловые гликозиды, алкалоиды и лигнановые амиды [4]. Якорцы стелющиеся обладают антимикробной и противогрибковой активностью, а также гиполипидемическим действием [5]. Благодаря стероидным сапонинам, таким как протодиосцин и диосгенин, экстракт якорцев повышает уровень тестостерона. На основании чего экстракт якорцев стелющихся применяется при лечении сексуальной дисфункции и в спорте для увеличения силовых показателей и мышечной массы [6-7].
Для извлечения БАВ из растительного сырья используется процесс экстракции, этот процесс играет важную роль в конечном результате исследований лекарственных растений.
Традиционным и широко использующимся методом является экстракция в аппарате Сокслета. Большинство исследований экстракции БАВ из якорцев стелющихся выполнены именно в этом аппарате. У такой экстракции есть следующие недостатки: использование большого количества органического растворителя, пожароопасность, а также проблемы с экстракцией термолабильных БАВ из-за высокой температуры кипения растворителя. Для интенсификации процесса извлечения БАВ из растительного сырья разрабатываются новые методы экстракции. Перспективным является процесс сверхкритической экстракции. В данном процессе в качестве экстрагента используется диоксид углерода в сверхкритическом состоянии [8]. В среде сверхкритического диоксида углерода имеет место высокая интенсивность массопереноса, что позволяет ему легко проникать в растительное сырье и эффективно извлекать БАВ. Диоксид углерода дешев и безопасен для окружающей среды, не горюч и не взрывоопасен, а также имеет низкие критические параметры (температура 31.1 °С и давление 73.8 бар) [9]. Благодаря низким критическим параметрам, диоксид углерода можно использовать при экстракции термолабильных веществ. Особенностью использования диоксида углерода является то, что он ведет себя как неполярный растворитель, что препятствует его применению при экстракции полярных БАВ [10]. Однако, данный недостаток можно нивелировать, используя небольшие количества различных полярных сорастворителей
[11]. Использование процесса сверхкритической экстракции позволяет снизить или полностью исключить содержание органических растворителей в получаемых экстрактах.
Целью данного исследования является разработка методики получения экстрактов якорцев стелющихся с применением процесса сверхкритической экстракции. Следует отметить, что в российской и мировой литературе имеется только одна работа о проведении исследований по извлечению БАВ из якорцев стелющихся с использованием процесса сверхкритической экстракции [12]. В данной работе были разработаны методики получения экстрактов якорцев стелющихся с применением следующих экстрагентов: сверхкритический диоксид углерода, сверхкритический диоксид углерода с этанолом в качестве сорастворителя. Экспериментальная часть Материалы
Для исследований использовались якорцы стелющиеся компании ООО «Компания Хорст», собранные в Алтайском Крае. Экстракцию проводили с помощью экстрагента - диоксида углерода (99,8%), в качестве сорастворителя использовали этанол (объемная доля 95%).
Установка для проведения процесса сверхкритической экстракции
Схема установки для проведения процесса сверхкритической экстракции представлена на рисунке 1.
( СР2 )—хз-ф-х ф хь \ \ \
.12
А
ю.
11
Диоксид углерода из баллона через фильтр подается в конденсатор для его охлаждения и обеспечения гомогенности среды во избежание явления кавитации в насосе. После выхода из конденсатора охлажденный диоксид углерода с помощью насоса высокого давления подается в термостат, где происходит переход в сверхкритическое состояние. Из термостата сверхкритический диоксид углерода поступает в 350 мл экстрактор высокого давления, где непосредственно происходит процесс извлечения экстракта из сырья. После растворенный экстракт с экстрагентом поступают в сепаратор, где происходит их разделение. Диоксид углерода переходит в газообразное состояние и уходит в атмосферу, а экстракт конденсируется и поступает в сборник. Методика получения экстрактов якорцев стелющихся с применением процесса сверхкритической экстракции
Перед проведением процесса сверхкритической экстракции высушенные якорцы стелющиеся измельчали с помощью лабораторной мельницы и просеивали через сита. В процессе сверхкритической экстракции использовали частицы сырья размером от 0.5 мм до 2 мм. Схема извлечения экстракта из якорцев стелющихся с использованием процесса сверхкритической экстракции представлена на рисунке 2.
@1 Ф
■Шц Еш. Ч? I [№
Рисунок 15 - принципиальная схема установки для проведения процесса сверхкритической экстракции: 1 -баллон с диоксидом углерода; 2,7 - микронные фильтры; 3 - конденсатор; 4 - насос; 5 - термостат; 6 -экстрактор высокого давления объемом 350 мл; 8 - вентиль тонкой регулировки; 9 - нагревательный элемент; 10 - сепаратор; 11- сборник экстракта; 12 - выход в атмосферу; ^01 - регуляторы температуры; Б12 -массовый расходомер; PI3 - манометр; Т14 - термометр
а)
б)
Рисунок 2 - Схема извлечения экстракта из якорцев стелющихся с использованием процесса сверхкритической экстракции: а) экстрагент - чистый сверхкритический диоксид углерода; б) экстрагент - смесь сверхкритический диоксид углерода с этиловым спиртом в качестве сорастворителя
Процесс проведения сверхкритической экстракции состоит из следующих этапов: загрузка экстрактора, набор давления, статическая экстракция, динамическая экстракция, сброс давления, разгрузка экстрактора.
В случае использования чистого сверхкритического диоксида углерода в качестве экстрагента на первом этапе измельченное сырье якорцев стелющихся массой 10 г помещали в экстрактор высокого давления объемом 350 мл и герметизировали его. Далее проводили этап набора давления, для этого в экстрактор подавали предварительно нагретый сверхкритический диоксид углерода и устанавливали параметры ведения процесса: температура 50 X, давление 200 бар. При данных параметрах экстрактор выдерживали в течение 30 мин - этап статической экстракции. На этапе статической экстракции сверхкритический диоксид углерода проникает в якорцы стелющиеся, БАВ растворяются в сверхкритическом диоксиде углерода и экстракт поступает в свободный объем экстрактора. Далее через экстрактор при постоянном расходе подавали сверхкритический диоксид углерода - этап динамической экстракции. В ходе этапа динамической экстракции происходит удаление экстракта из свободного объема экстрактора и дальнейшее извлечение экстракта сначала из структуры якорцев, а затем из экстрактора. Полученный экстракт поступал в сборник для экстракта. Продолжительность данного этапа составила 60 мин при расходе диоксида углерода 1000 г/ч. Затем подача диоксида углерода перекрывалась и на протяжении 20 минут сбрасывалось давление -этап сброса давления. После чего проводился этап разгрузки экстрактора: отработанный шрот извлекался из экстрактора, а экстрактор с фитингами и запорной, регулирующей арматурой промывался этиловым спиртом.
При использовании в качестве экстрагента смеси сверхкритического диоксида углерода с этиловым спиртом на первом этапе помимо самого сырья в экстрактор заливали 95% этиловый спирт. Объемное соотношение сырье-спирт 1:1. Последовательность и
продолжительность остальных этапов аналогичны этапам в процессе сверхкритической экстракции с использованием чистого диоксида углерода в качестве экстрагента. Следует отметить, что в ходе этапа динамической экстракции в сборник поступает смесь экстракта и этилового спирта. Результаты
С помощью разработанной методики были проведены экспериментальные исследования по извлечению экстракта из якорцев стелящихся. На рисунке 3 представлены полученные экстракты.
а)
б)
Рисунок 3 - внешний вид экстракта: а) полученного с помощью экстракции чистым сверхкритическим диоксидом углерода; б) полученного с помощью экстракции сверхкритическим диоксидом углерода с этиловым спиртом
После проведения процесса с помощью экстракции чистым сверхкритическим диоксидом углерода была получен вязкий темно-зеленый экстракт (рисунок 3.а), а с помощью экстракции сверхкритическим диоксидом углерода с этиловым спиртом получена жидкая смесь экстракта с этиловым спиртом темно-зеленого цвета (рисунок 3.б). Выход экстракта в первом случае состваил 3-5 масс.%, во втором случе 5-7 масс.%. Разница в полученных массовых выходах может быть связана с тем, что в случае использовалния этилового спирта в качестве сорастворителя происходит более эффективное извлечение полярных БАВ. В дальнейшем будут
разработаны аналитические методики по опрелделению составов, полученных экстрактов.
Выводы
В ходе исследования разработана методика получения экстрактов якорцев стелющихся с применением процесса сверхкритической экстракции. Были получены экстракты якорцев стелющихся с применением в качестве экстрагента как чистого сверхкритического диоксида углерода, так и его смеси с этиловым спиртом в качестве сорастворителя. Установлено, что использование этилового спирта в качестве сорастворителя позволяет увеличить массовый выход получаемого экстракта якорцев стелющихся. В дальнейшем будут разработаны аналитические методики для определения составов, подученных экстрактов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева, прикладной научно-исследовательский проект молодых штатных
работников РХТУ им. Д.И. Менделеева в рамках программы стратегического академического
лидерства «Приоритет-2030» № ВИГ-2022-008.
Используемая литература
1. Azmir J. et al. Techniques for extraction of bioactive compounds from plant materials: A review //Journal of food engineering. - 2013. - Т. 117. - №. 4. -С. 426-436.
2. Гречухин А. И. и др. Биологически активные вещества травы Якорцев стелющихся (Tribulus terrestris L.), произрастающей на территории Астраханской области //Фармацевтические науки: от теории к практике. - 2016. - С. 117-119.
3. Аффуф А. и др. Фитохимическое исследование травы якорцев стелющихся //Фармация и фармакология. - 2019. - Т. 7. - №. 6. - С. 346-355.
4. Usman H., Abdulrahman F. I., Ladan A. H. Phytochemical and antimicrobial evaluation of Tribulus terrestris L.(Zygophylaceae). Growing in Nigeria //Res. J.
Bio. Sci. Medwell Journals. - 2007. - Т. 2. - №. 3. - С. 244-247.
5. Худенко П. Е., Терёшина Н. С., Морохина С. Л. Химический состав и использование в медицине Якорцев стелющихся (Tribulus terrestris L.) //Молодые ученые и фармация XXI века. - 2015. - С. 416-420.
6. Roaiah M. F. et al. Pilot study on the effect of botanical medicine (Tribulus terrestris) on serum testosterone level and erectile function in aging males with partial androgen deficiency (PADAM) //Journal of Sex & Marital Therapy. - 2016. - Т. 42. - №. 4. - С. 297301.
7. Fernández-Lázaro D. et al. Effects of Tribulus terrestris L. on Sport and Health Biomarkers in Physically Active Adult Males: A Systematic Review //International Journal of Environmental Research and Public Health. -2022. - Т. 19. - №. 15. - С. 9533.
8. Великородов А. В. и др. Химический состав масла семян арбуза, выделенного методом сверхкритической флюидной экстракции //Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2014. - №. 12-1. -С. 124.
9. Poling B. E., Prausnitz J. M., O'Connell J. P. The Properties of gases and liquids: учебное пособие. - New York: The McGraw-Hill Companies, 2001. - 768 с.
10. Попова А. С. Исследование метода сверхкритической флюидной экстракции для выделения биологически активных веществ багульника //Достижения вузовской науки. - 2015. -№. 17. - С. 132-141.
11. Максудов Р. Н. и др. Экспериментальная установка для проведения процессов сверхкритической флюидной экстракции с использованием жидкого сорастворителя //Вестник Казанского технологического университета. - 2004. -№. 2. - С. 168-172.
12. Ghoreishi S. M., Bataghva E., Dadkhah A. A. Response surface optimization of essential oil and diosgenin extraction from Tribulus terrestris via supercritical fluid technology //Chemical Engineering & Technology. - 2012. - Т. 35. - №. 1. - С. 133-141.
