CC BY
327
УДК 54:630. 8:664
ПОЛУЧЕНИЕ ПЕКТИНОВ, ФЛАВОНОИДОВ И КАРОТИНОИДОВ ИЗ КОРНЕЙ ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ
© В. С. Никитина*, М. И. Абдуллин, Л. Т. Г айнанова
Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
Тел.: + 7 (347) 228 62 55.
Е-mail: [email protected]
Произведен поиск рационального использования лекарственных растений для получения фитопрепаратов пектиновых веществ, флавоноидов, каротиноидов. Выделенные из корней лопуха большого Arctium lappa L., одуванчика лекарственного Taraxacum officiale Wigg. и девясила высокого Inula helenium L. образцы пектинов охарактеризованы комплексом физикохимических методов. Установлена их сорбционная активность относительно ионов кадмия и меди. Предложена схема рационального получения различных групп биологически активных соединений из одной загрузки сырья.
Ключевые слова: полисахариды, пектиновые вещества, флавоноиды, каротиноиды, уро-ниды, этерификация, сорбционные свойства.
Введение
Содержащиеся в растениях пектиновые вещества, обладают широким спектром физиологической активности. Особую значимость они приобрели в последние три десятилетия в связи с появлением сведений о способности пектина выводить из организма человека тяжелые металлы (свинец, ртуть, цинк, кобальт, молибден и др.), образуя с ними комплексы [1-4]. В зависимости от вида растений и способа извлечения состав пектиновых веществ характеризуется различным соотношением кислых и нейтральных фракций, содержанием остатков галактуроновой кислоты и нейтральных моносахаридов, степенью ме-токсилирования, ацетилирования, величиной молекулярной массы и др. Как следствие, пектины различных источников отличаются друг от друга по химическому составу и качественным показателям [5-7].
С целью расширения сырьевой базы биологически активных веществ исследовалось нетрадиционное сырье - корни лопуха большого Arctium lappa L., корни одуванчика лекарственного Taraxacum officiale Wigg. и корни девясила высокого Inula helenium L. Выбор указанных объектов обусловлен тем, что, во-первых, все три сырьевых объекта являются фармакопейными препаратами, во-вторых, они имеют схожие терапевтические свойства и близкий химический состав [8].
Целью данной работы был поиск путей рационального использования лекарственных растений для получения фитопрепаратов пектиновых веществ, флавоноидов, каротиноидов. Выделенные пектиновые вещества исследуемых растений интересно было охарактеризовать комплексом физикохимических методов и затем сравнить их свойства с характеристиками известных пектинов. Кроме того, целью работы было выявление путей и способов рационального получения других групп биологически активных соединений - флавоноидов и каротиноидов из шрота исследуемого растительного сырья после удаления из него пектинов.
Экспериментальная часть
Сырьевыми объектами изучения были воздушно-сухие корни лопуха большого Arctium lappa
L., одуванчика лекарственного Taraxacum officiale Wigg. и девясила высокого Inula helenium L., отобранные на территории Республики Башкортостан (с. Русский Юрмаш).
Для подбора условий выделения пектинов использовали при одинаковом гидромодуле 1:10 следующие экстрагирующие агенты: I - 3% соляная кислота; II - эквимолярная смесь 0.5% растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония. Предварительно измельченное сырье обезжиривали петро-лейным эфиром. Экстракцию с экстрагентом I проводили при 60 °С, а с экстрагентом II - при 60 и 80 °С. Продолжительность экстракции изменяли от 1 до 10 ч. После завершения гидролиза шрот удаляли с помощью вакуумного фильтра. В качестве осадителя пектиновых веществ использовали трехкратный объем 96%-ного этилового спирта. Сформировавшийся осадок отфильтровывали с помощью вакуумного водоструйного насоса и промывали 70%-ным этанолом. В случае использования экстрагента I промывку осуществляли до отрицательной реакции на ионы Cl-. Получившуюся массу высушивали сначала на воздухе, а затем в сушильном шкафу при температуре не выше 60 °С во избежание деструкции пектинов.
Кислотность экстрагирующих агентов определяли на лабораторном цифровом pH-метре ОР-211/1. Качественные характеристики полученных продуктов контролировались физико-химическими показателями пектиновых веществ: желирующей способностью, содержанием свободных карбоксильных групп, степенью этерификации, карбазо-ловой реакцией на урониды, данными ИК-спектроскопии [5-7]. Результаты экстракции и аналитические данные представлены в работе как среднее арифметическое двух параллельных опытов. Инфракрасные спектры полученных препаратов записаны на спектрометре IR Prestige-21 в области 400-4000 см-1 в вазелиновом масле. Элементный анализ проведен на CHN-анализаторе EURO EA-3000.
Комплексообразующая способность выделенных пектинов испытывалась по методике [9]. Не-
* автор, ответственный за переписку
прореагировавшие ионы металлов определяли тит-риметрическим методом.
Количество каротиноидов в изучаемых растительных объектах определяли методом колоримет-рирования.
Из шрота исследуемых растений, полученного после удаления пектиновых веществ и каротинои-дов, путем двухкратной экстракции 70%-ным этиловым спиртом выделяли флавоноиды. Оптическую плотность стандартных веществ и анализируемых образцов измеряли на фотоэлектроколориметре (ФЭК) при длинах волн 400 нм и 430 нм. В качестве раствора сравнения использовали 2%-ный раствор хлорида алюминия в 70%-ном этаноле.
Суммарное количество флавоноидов в пересчете на стандартное вещество определяли с учетом разведения растворов в данной калибровке. Ошибка определения составляла ±5-7%.
Обсуждение результатов
Изучение функциональных свойств пектинов, выделенных из нетрадиционных сырьевых источников, целесообразно с целью получения дополнительных данных о химическом составе лекарственных растений, изучения физико-химических свойств полисахаридов [10], выявления новых областей возможного применения выделенных препаратов [11]. Экстрактивные вещества корней лопуха большого, одуванчика лекарственного, девясила высокого, включенных в фармакопею ряда стран [8], имеют весьма разнообразные терапевтические свойства. Кроме того, корни лопуха издавна используют в пищу, они стимулируют работу поджелудочной железы, размолотыми в муку их добавляют в тесто при выпечке хлеба. Во многих странах они введены в культуру [12, 13].
При обработке корней лопуха экстрагентом I наблюдался довольно хороший выход продуктов гидролиз-экстракции. Максимальный выход составлял 4.3% (кривая 1, рис. 1). В случае обработки экстрагентом 1 корней одуванчика выход продукта
был значительно выше, чем из корней лопуха и составлял около 9.0% (кривая 2, рис. 1).
Увеличить выход пектинов из корней лопуха большого, одуванчика лекарственного удалось, используя экстрагент II. Этот экстрагент (эквимо-лярная смесь 0.5%-ных растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония) применялся ранее [10] для выделения пектиновых веществ из коры лиственницы. Применение нами экстрагента II позволило увеличить выход пектиновых веществ из корней одуванчика лекарственного и лопуха большого в 1.5-2 раза (рис. 2).
ИК спектры веществ, полученных нами из разных сырьевых источников (корня лопуха, корня одуванчика или корня девясила), характеризуются следующими полосами поглощения: 3460 см-1, 2460 см-1, 1740 см-1, 1640 см-1, 1443-1367 см-1 и 1200-1000 см-1, соответствующими полосам поглощения спектров известных пектинов [5, 7].
Исходя из результатов анализа экспериментальных данных по проведению в разных условиях гидролиз-экстракции в совокупности с результатами анализа ИК-спектров выделяемых при этом продуктов, были выбраны следующие условия гидролиз-экстракции для препаративной наработки пектинов: экстрагент II, температура - 60 °С; продолжительность экстракции - 4 ч, гидромодуль 1:10. В этих условиях были получены продукты из корней лопуха, из корней одуванчика и из корней девясила. Они были изучены с применением комплекса физико-химических методов. В качестве стандарта на всех этапах анализа и испытания свойств использовали аптечный яблочный пектин.
Полученные образцы пектинов из корней использованных лекарственных растений представляют собой порошкообразные продукты светлокоричневого цвета. По степени этерификации их все можно отнести к низкоэтерифицированным. Степень этерификации для изученных пектинов составляла 38, 44 и 45%, табл. 1.
Время гидролиз-экстрации, ч
Рис. 1. Влияние времени и температуры гидролиз-экстракции 3%-ной соляной кислотой (рН = 0.6) на выход продукта: 1 - из корней лопуха большого (1 = 60 °С); 2 - из корней одуванчика лекарственного (1 = 60 °С).
*
I
U
С
П
Й
3
4
1
2
Время гидролиз-экстракции, ч
Рис. 2. Влияние времени и температуры гидролиз-экстракции эквимолярной смесью щавелевой кислоты и оксалата аммония (рН = 2.57) на выход продукта: 1 - из корней лопуха большого (1 = 60 °С); 2 - из корней лопуха большого (1 = 80 °С); 3 - из корней одуванчика лекарственного (1 = 60 °С); 4 - из корней одуванчика лекарственного (1 = 80 °С).
Из табл. 1 видно, что пектины трех разных по виду растений имеют довольно близкие характеристические данные.
Анализ ИК спектров пектиновых веществ, выделенных нами в одинаковых условиях из корней трех исследуемых лекарственных растений, свидетельствует, что в спектрах наблюдаются следующие характерные полосы: полоса с максимумом 3460 см-1 обусловлена валентными колебаниями свободных гидроксильных групп, в этой области лежат также валентные колебания адсорбированной воды; 1740 см-1 - эфирно-карбонильные полосы поглощения; 1650 см-1 - амидные полосы поглощения; 1607 см-1 - карбоксилатные антисим-метрические полосы; 1443-1367 см-1 полосы деформационных колебаний метильной группы; 1200-1000 см-1 относятся к валентным колебаниям связей С-С, С-О и С-О-С пирановых циклов.
Кроме того, в спектрах выделенных продуктов четко наблюдались особенно характерные для пектиновых веществ полосы около 1745 см-1 и при 1750 см-1, которые по литературным данным [6, 7] могут соответствовать валентным колебаниям карбонила карбоксильных групп и сложноэфирных групп.
Была изучена сорбционная активность пектинов, выделенных из корней лекарственных расте-
ний, относительно ионов кадмия и меди. Определения сорбционной активности проводили по методике [9]. Изменение исходной концентрации ионов кадмия и меди, равной 0.2 моль/л, после контакта раствора соли с пектином в течение 1 ч приведены на рис. 3.
Из диаграммы видно, что сорбционная активность пектинов, выделенных из корней одуванчика лекарственного, лопуха большого, девясила высокого и стандартного яблочного пектина, близка по величине. Количество сорбируемых ионов металла при контакте в течение 1 ч находится в интервале от 30% до 50%.
Результаты сорбционной активности для полученных пектинов близки к данным для стандартного яблочного пектина и литературным данным цитрусового пектина [9].
Сорбционная активность полученных пектинов в отношении ионов меди и кадмия была исследована в динамике. На рис. 4 и рис. 5 представлены изменения концентраций ионов меди и кадмия в растворе в зависимости от времени контакта. Кривая 1 соответствует результатам, полученным для пектина из лопуха большого, кривая 2 - для пектина одуванчика лекарственного, кривая 3 - пектина девясила высокого, кривая 4 - для стандартного вещества (яблочного пектина).
Таблица 1
Физико-химические показатели пектиновых веществ, выделенных из корней лопуха, одуванчика, девясила.
Раститель-ный источник пектина
Содержание, %
Количество свободных СООН-групп Количество этерифицирован-ных СООН-групп Полиурониды
Степень этерифи-кации, к
Лопух большой 3.85 2.44 64.00 38.00
Одуванчик л!карст- 2.95 2.31 58.00 44.00
венный
Девясил высокий 3.73 3.06 57.00 45.00
ч
о
«
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
□ Без пектиновых веществ
□ Количество Си, прорегировавшее с пектином
□ Количество С^ прорегировавшее с пектином
1
2
3
4
Рис. 3. Сорбционная способность пектинов, выделенных из лопуха большого (1), одуванчика лекарственного (2), девясила
высокого (3), и яблочного пектина (4).
Время, мин
Рис. 4. Изменение концентрации ионов меди в водной фазе от времени: 1 - пектин лопуха, 2 - пектин одуванчика лекарственного, 3 - пектин девясила высокого, 4 - яблочный пектин.
1
4
Время, мин
Рис. 5. Изменение концентрации ионов кадмия в растворе от времени: 1 - пектин лопуха, 2 - пектин одуванчика лекарственного, 3 - пектин девясила высокого, 4 - яблочный пектин.
В связи с тем что одной из задач работы был поиск рациональной переработки лекарственного растительного сырья, следующий этап целесообразно было связать со шротом, который остается после удаления пектиновых веществ. Испытание
шротов на содержание флавоноидов и каротинои-дов показали, что они присутствуют в их составе. Результаты по определению содержания кароти-ноидов и флавоноидов в шротах представлены на рис. 6.
W
Я
5 *
6 W
ч
о
U
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0.5
0
Флавоноиды □ Каротиноиды
Лопух большой
Девясил высокий
Рис. 6. Количество каротиноидов и флавоноидов в шроте различных растительных образцов.
Рис. 7. Схема разделения биологически активных веществ лекарственного сырья на пектины, флавоноиды, каротиноиды и
целлюлозу.
Из диаграммы видно, что в шроте, оставшемся после удаления пектинов, содержатся каротиноиды в количестве 0.2-0.3% мас. Суммарное содержание
флавоноидов составило 2.5% для лопуха большого и одуванчика лекарственного, а в девясиле высоком содержание флавоноидов немного выше - 3.5% .
На основе полученных экспериментальных результатов по выходу из растительных материалов (шрота корней одуванчика, шрота корней лопуха, шрота корней девясила) разных групп биологически активных веществ (пектинов, флавоноидов, каротиноидов) была предложена следующая схема комплексной переработки растительного сырья (рис. 7). По данной схеме выход целевых биологически активных веществ в виде пектина составил 12%, флавоноидов - 2.5% и каротиноидов - 0.25%. Следует отметить, что остаток после удаления биологически активных веществ - целлюлоза, которая составляет около 60%, также может представлять интерес как сорбент или источник для получения порошковой целлюлозы.
Создание продуктов питания нового поколе-ния в настоящее время немыслимо без применения пищевых и биологически активных добавок, обладающих детоксикационными и радиопротекторны-ми свойствами, в том числе пектиновых веществ. Разнообразие свойств пектинов и флавоноидов, обладающих разнообразными физико-химическими, комплексообразующими и физиологическими свойствами, может быть достигнуто в дальнейшем за счет химической модификации: этерификации, амидирования, ацилирования выделенных из растений биологически активных веществ.
Выводы
Методом гидролиз-экстракции эквимолярной смесью щавелевой кислоты и оксалата аммония (рН = 2.57) выделены пектиновые соединения из корней девясила высокого, лопуха большого, одуванчика лекарственного с выходом 14.0, 9.5 и 13.5% мас. соответственно.
Полученные пектины охарактеризованы комплексом физико-химических методов, сравнены по показателям с данными для традиционных пектинов и отнесены к низкоэтерифицированным пектинам с содержанием свободных карбоксильных групп 3.0-3.8, этерифицированных групп 2.4-3.7, полиуританов 57-64%.
Изучены сорбционные свойства пектинов одуванчика, лопуха и девясила по отношению к ионам кадмия и меди. Показано, что по сорбционной активности относительно катионов Си2+ и Cd2+ выде-
ленные пектины близки к сорбционной активности яблочного пектина.
Из одной загрузки растительного сырья (корней девясила высокого, лопуха большого, или одуванчика лекарственного) последовательно выделены пектины, экстрактивные концентраты флавоноидов, экстракты каротиноидов со средними выходами 12%, 2.5% и 0.25%, соответственно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Елькина Е. А., Шубаков А. А., Оводов Ю. С. Влияние
пектинов на рост злаковых культур // Химия растительного сырья. 2005. №4. С. 53-56.
2. Минзанова С. Т., Миронов В. Ф., Миндубаев А. З., Цепае-ва О. В., Миронова Л. Г., Петрова Г. Р., Зиатдинова Ф. Х., Коновалов А. И. Новые комплексы пектиновых полисахаридов с ароматическими кислотами //V Всероссийская конференция «Химия и технология растительных веществ». Уфа. 8-12 июня 2008 г. Сыктывкар: Издательство Коми научного центра УрО РАН, 2008. С. 208.
3. Золотарева А. М., Чиркина Т. Ф., Цыбикова Д. Ц., Бабуева Ц. М. Исследование функциональных свойств облепихового пектина // Химия растительного сырья. 1998, №»1. С. 29-32.
4. Сарафанова Л. А. Применение пищевых добавок. Технические рекомендации. 6-е изд., испр. и доп. СПб.: ГИОРД, 2005. 200 с.
5. Аймухамедова Г. Б., Каракеева З. Н., Шелухина Н. П. Зависимость свойств пектиновых веществ от их меток-сильной составляющей. Фрунзе: Илим, 1990. 112 с.
6. Шелухина Н. П., Абаева Р. Ш., Аймухамедова Г. Б. Пектин и параметры его получения. Фрунзе: Илим, 1987. 109 с.
7. Шелухина Н. П. Научные основы технологии пектина. Фрунзе: Илим. 1988. 169 с.
8. Растительные ресурсы СССР. Цветковые растения, их химический состав, использование. Т. VII. С.-Пб: Наука, 1993. С. 25-26.
9. Миронов В. Ф., Карасева А. Н., Цепаева О. В., Выштака-люк А. Б., Минзанова С. Т., Морозов В. И., Карлин В. В., Юнусов Э. Р., Миндубаев А. З. Некоторые новые аспекты комплексообразования пектиновых полисахаридов с катионами ¿-металлов // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2003. №3. С.45-50.
10. Иванова Н. В., Попова О. В., Бабкин В. А. Изучение влияния различных факторов на выход и некоторые характеристики пектиновых веществ коры лиственницы // Химия растительного сырья. 2003. №4. С. 43-46.
11. Ефремов А. А., Кондратюк Т. А. Выделение пектина из нетрадиционного растительного сырья и применение его в кондитерском производстве // Химия растительного сырья. 2008. №4. С. 171-176.
12. Вульф Е. В., Малеева О. Ф. Мировые ресурсы полезных растений. Справочник. Л.: Наука, 1969. 564 с.
13. Пенкаускене Э. А., Римкене С. П. Опыт выращивания Arctium lappa L. в Литовской ССР // Растительные ресурсы. 1984. Т. 20. С. 206-212.
Поступила в редакцию 18.06.2012 г. После доработки -10.11.2012 г.
