CC BY
206
УДК547.99: 66.061.34: 633.8
Н. В. Грачева, В. Ф. Желтобрюхов
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛАНИНА ИЗ ЛУЗГИ ПОДСОЛНЕЧНИКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО АНТИОКСИДАНТНОЙ АКТИВНОСТИ
Ключевые слова: меланин, экстрагирование, лузга подсолнечника, антиоксидантная активность.
В работе представлены результаты разработки способа получения меланина из лузги подсолнечника и исследования его антиоксидантной активности. Установлено, что выделение меланина согласно разработанному способу обусловливает увеличение его выхода. Полученный согласно разработанному способу меланин проявляет высокую антиоксидантную активность, сравнимую с антиоксидантной активностью меланинов гриба чаги
Keywords: melanins, extraction, Sunflower husks, antioxidant activity.
The paper presents the results of developing a method of obtaining melanin from the husks of sunflower and of the study of its antioxidant activity. It is established that the obtainment of melanin according to the developed method leads to the increase of its output. The obtained melanin exhibits high antioxidant activity, comparable to the antioxidant activity of the melanin mushroom of Chaga.
Введение
Меланины — уникальные природные соединения, характеризующиеся высокой УФ-, радио-, гастро-, гепатопротекторной,
антиоксидантной активностью и нашедшие широкое применение в качестве лечебно-профилактических препаратов и биологически активных добавок [1-5]. Традиционно в качестве сырья для получения меланинов используют грибы и бактерии с привлечением методов биотехнологии [2, 4, 6]. Однако в последнее время имеются исследования, направленные на поиск альтернативных источников меланинов [7, 8].
Наиболее перспективным для получения меланинов представляется использование лузги подсолнечника, что обусловлено значительными объемами ежегодного образования этого сырья [9], низкой ценой на данный отход (от 0 до 2500 руб./т) и высокой антиоксидантной активностью выделенных меланинсодержащих составов [10, 11]. Разработан способ получения меланинсодержащего антиоксиданта из лузги подсолнечника [12], который характеризуется низкими энергетическими затратами и позволяет получить меланиновый антиоксидант с выходом 8-10%. Однако согласно разработанному способу получают желеобразную субстанцию, содержащую помимо меланина сопутствующие вещества, что ухудшает качество продукта. Содержание же самого меланина в антиоксиданте не превышает 20% от сухого вещества. Кроме того, полученный продукт имеет короткий срок хранения.
Целью работы является разработка способа получения меланина из лузги подсолнечника и исследование его антиоксидантных свойств.
Экспериментальная часть
При выделении природных соединений из растительного сырья основной стадией процесса является экстрагирование. Ввиду того, что меланины малоспособны к диффузии через клеточные стенки, в работе использовали
измельченную лузгу подсолнечника. С целью интенсификации процесса экстрагирование проводили в вибрационной экстракционной установке с частотой вибраций 20 Гц и амплитудой 0,3-0,9 мм.
В работе использовалась лузга подсолнечника — отход маслоэкстракционного производства ООО «Добрый Спас» (г. Новоаннинский, Волгоградская обл.). Подготовку лузги подсолнечника вели согласно данным, представленным в работе [12] с некоторыми отличиями. Лузгу подсолнечника промывали, сушили при 100 С до сыпучести, измельчали.
В первой серии экспериментов исследовали влияние концентрации экстрагента на выход меланина. Навеску сырья массой 100 г заливали раствором гидроксида натрия различной концентрации в массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:7 и экстрагировали при нормальных условиях в вибрационной экстракционной установке определенное время, по истечении которого экстракт отделяли от шрота. Для контроля проводили экстрагирование меланинов из лузги полсолнечника дистиллированной водой при тех же условиях.
Полученные экстракты подкисляли добавлением 25% раствора соляной кислоты до рН 1-2. Выпавшие хлопья меланина отделяли фильтрованием и сушили.
Высушенный меланин растворяли в растворе гидроксида натрия и снова осаждали добавлением 25% раствора соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Кислотное переосаждение проводили трижды, после чего меланин сушили.
Кинетика извлечения меланинов раствором гидроксида натрия с концентрацией 0,1 М, 0,25 М, 0,5 М представлена на рисунке 1.
Во второй серии опытов исследовали влияние 2-х ступенчатого экстрагирования на выход меланинов.
Первую ступень экстрагирования проводили согласно описанному выше способу. По завершении 1-ой ступени экстрагирования и отделения
экстракта, оставшийся шрот заливали новой порцией экстрагента той же концентрации. Соотношение сырье-экстрагент на 2-ой ступени рассчитывали на массу сухого сырья. Общее массовое соотношение сырье-экстрагент
варьировали в пределах равных 1:(6^8). Время экстрагирования на каждой ступени составило 20 минут.
0.5 М
10
20
30
40
50 60 Время, млн.
Рис. 1 - Кинетика выхода меланинов из лузги подсолнечника при использовании в качестве экстрагента раствора гидроксида натрия различной концентрации и воды
Выделение и очистку меланинов проводили согласно описанному выше способу. Результаты экспериментов представлены на рисунке 2.
ю
Н 4
0.1 м
0.25 М
0.5 М _
Uli
н
о
'й Л
1:4; 1:4; 1:5; 1:5; 1:4; 1:4; 1:5; 1:5; 1:4; 1:4; 1:5; 1:5; 1:2 1:3 1:2 1:3 1:2 1:3 1:2 1:3 1:2 1:3 1:2 1:3 массовое соотношение сырье-экстрагент, масс, части
Рис. 2 - Выход меланинов из лузги подсолнечника при 2-х ступенчатом экстрагировании 0,1 М, 0,25 М, 0,5 М раствором гидроксида натрия
Ввиду того, что в работе использовали измельченное сырье, характеризующееся высокой поглощающей и удерживающей способностью, в третьей серии опытов исследовали влияние на выход меланинов отжима сырья в фильтр-прессе после каждой ступени экстрагирования.
Выделение и очистку меланинов согласно описанному выше способу представлены на рисунке 3.
Образцы меланинов, полученные серии опытов, были использованы для исследования антиоксидантной активности. В таблице 1 приведены условия экстрагирования используемых образцов.
проводили Результаты
в третьей
1:4:1:4; 1:5: 1:5; 1:4:1:4; 1:5; 1:5: 1:4:1:4:1:5; 1:5; 1:2 1:3 1:2 1:3 1:2 1:3 1:2 1:3 1:2 1:3 1:2 1:3 массовое соотношение сырье-экстрагент, масс, части
Рис. 3 - Выход меланинов из лузги подсолнечника при 2-х ступенчатом экстрагировании 0,1 М, 0,25 М, 0,5 М раствором гидроксида натрия с отжимом сырья после каждой ступени
Таблица 1 - Условия экстрагирования образцов меланинов, использованных для исследования антиоксидантной активности
№ Концентрация Массовое соотношение
гидроксида натрия сырье-экстрагеш;
в экстрагенге, М масс. части
1 0,1 1:4, 1:3
2 0,25 1:4, 1:3
3 0,5 1:4, 1:3
Антиоксидантную активность определяли по торможению скорости образования ТБК-активных продуктов в процессах перекисного окисления липидов в модельной системе - суспензии липопротеидов желтка [13]. Результаты экспериментов представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Общая АОА меланинов и остаточное содержание ТБК-продуктов
№ Концентрация, мкг/мл АОА,% ТБК-продукты, мкмоль/л
400,00 86,78±0,12 4,02±0,12
1 200,00 78,33±0,11 6,59±0,14
100,00 49,88±0,11 15,25±0,14
400,00 90,44±0,12 2,91±0,07
2 200,00 84,22±0,19 4,80±0,10
100,00 53,16±0,17 14,25±0,14
400,00 92,78±0,14 1,98±0,12
3 200,00 88,82±0,16 3,40±0,14
100,00 64,54±0,12 10,79±0,14
400,00 89,88±0,12 3,08±0,09
Ч 200,00 83,78±0,16 4,93±0,11
100,00 57,55±0,14 12,91±0,14
К 0 - 30,42±0,12
антиоксидантную (Ч), полученных
Для сравнения исследовали активность меланинов чаги согласно Фармакопее [14].
Все результаты экспериментов статистически обработаны и приведены в работе при доверительной вероятности Р=0,95, п=5 (п - объем выборки или количество экспериментов).
Обсуждение результатов
Обобщение данных кинетики экстрагирования меланинов из лузги подсолнечника (рис. 1) выявило, что использование в качестве экстрагента раствора гидроксида натрия приводит к увеличению выхода извлекаемых компонентов в 2,2-3,2 раза по сравнению с выходом при экстрагировании дистиллированной водой. Это обусловлено лучшей растворимостью меланинов в щелочной среде. С увеличением рН среды увеличивается диссоциация ионогенных групп меланинов. При этом гидрофильные ионогенные группы частиц меланина ориентируются наружу, а гидрофобные участки внутрь частиц. Наличие электрического заряда приводит к значительной гидратации и разобщению частиц меланинов и повышению их растворимости. С увеличением концентрации гидроксида натрия увеличивается выход меланинов. Однако увеличение концентрации гидроксида натрия выше 1,25 М нецелесообразно, так как это приводит к совместному экстрагированию трудно отделяемых от меланинов гемицеллюлоз, повышению зольности экстракта и выделенных меланинов.
Анализ кинетических кривых экстрагирования меланинов показал, что в течение первых 15 минут экстрагируется 45-59% всего извлекаемого в условиях эксперимента меланина в зависимости от концентрации экстрагента. В этот период меланины извлекаются, главным образом, за счет их вымывания из разрушенных клеток. Выход меланинов в этом случае зависит от гидродинамических условий и растворяющей способности экстрагента. При дальнейшем экстрагировании скорость процесса замедляется и зависит при прочих равных условиях от селективности экстрагента. Экстрагирование выше 30 минут обусловливает увеличение выхода не более чем на 15-24%.
Переход от одноступенчатого экстрагирования к двухступенчатому процессу обусловливает увеличение выхода меланина, что определяется возможностью поддержания на высоком уровне движущей силы процесса экстрагирования -разности концентраций (рис. 1). Показано, что при 2-х ступенчатом экстрагировании 0,1 М, 0,25 М, 0,5 М раствором гидроксида натрия выход меланинов увеличивается соответственно в 1,66-1,76, 1,51-1,56, 1,32-1,45 раз по сравнению с выходом при одноступенчатом экстрагировании в течение часа. Уменьшение наблюдаемого эффекта с увеличением концентрации экстрагента объясняется
приближением выхода меланинов к максимально возможному при данных условиях.
Выявлено, что с увеличением концентрации экстрагента выход меланинов на 1-ой ступени экстрагирования возрастает. Это обусловлено лучшей растворимостью меланинов в более концентрированном растворе гидроксида натрия и интенсификацией массообменных процессов за счет наложения вибрационных воздействий, что приводит к увеличению извлечения меланинов из сырья уже на 1-ой ступени. При экстрагировании
меланинов 0,1 М раствором гидроксида натрия выход на первой ступени ниже, чем на второй. Это объясняется тем, что измельченное сырье характеризуется высокой поглощающей и удерживающей способностью экстрагента с растворенными веществами, и объем слитого экстракта после экстрагирования на 1-ой ступени меньше, чем после экстрагирования на 2-ой.
Сравнение эффективности 2-х ступенчатого экстрагирования при различных соотношениях сырье-экстрагент выявило, что этот показатель оказывает незначительное влияние при данных условиях экстрагирования. Это обусловлено тем, что экстрагирование проводилось без достижения равновесного состояния. При этом с увеличением соотношения сырье-экстрагент наблюдается тенденция к увеличению выхода меланинов.
Отжим сырья в фильтр-прессе после каждой ступени экстрагирования повышает выход меланинов (рис. 3). Эффективность выделения меланинов увеличивается за счет отделения экстракта, удерживаемого между частицами сырья. Кроме того при отжиме происходит дополнительное разрушение клеток, что улучшает условия массообмена. Увеличение соотношения сырье-экстрагент при экстрагировании с отжимом обусловливает увеличение выхода, но также не значительно.
Исследование антиоксидантных свойств образцов меланинов (табл. 1) показало, что меланины лузги подсолнечника проявляют высокую антиоксидантную активность, сравнимую с активностью меланинов чаги. При этом антиоксидантная активность исследуемых образцов зависит от концентрации экстрагента. Это может быть обусловлено отличиями в составе меланинов, экстрагируемых раствором гидроксида натрия различной концентрации, и требует дальнейших исследований в этом направлении.
Выводы
Лузга подсолнечника является перспективным альтернативным сырьем для получения меланинов. Двухступенчатое экстрагирование измельченной лузги подсолнечника в вибрационной экстракционной установке при нормальных условиях в течение 20 минут на каждой ступени 0,10,5 М раствором гидроксида натрия при массовых соотношениях сырье-экстрагент 1:(4^5) и 1:(2^3) позволяют получить меланин с выходом 7,45-12,36% от массы сухого сырья. Антиоксидантная активность меланинов, выделенных из лузги подсолнечника, близка активности меланинов чаги и зависит от концентрации гидроксида натрия в экстрагенте.
Литература
1. О.Ю. Кузнецова, Вестник Казан. технолог. ун-та, 16, 23, 136-138 (2013).
2. А.И. Носов, М.А. Сысоева, В.А. Гревцев, Ф.Г. Халитов, Химия растительного сырья, 3, 195-200 (2013).
3. И.Е. Велешко, А.Н. Велешко, Е.В. Румянцева, К.В. Розанов, Н.А. Буданцева, Д.С. Гальбрайх, Н.А. Дмитриева, Химия растительного сырья, 4, 39-48 (2011).
4. М.А. Сысоева. Автореф. дисс. докт. хим. наук, Казанский научный исследовательский технологический университет, Казань, 2009. 32 с.
5. М.А. Сысоева, Г.А. Иванова, Л.Я. Захарова, Вестник Казан. технолог. ун-та, 9, 525-600 (2010).
6. В.А. Барабой В.А., Успехи совр. биол., 121, 1, 36-46 (2001).
7. Пат. РФ 2000299 (1991).
8. Пат РФ 2215761 (2003).
9. Ю.Н. Картушина, Н.В. Грачева, М.А. Данилова, Экология и безопасность в техносфере: современные проблемы и пути решения (Томск, 27-28 ноября 2014г.), Томск, 2014. С. 90-93.
10. Н.В. Грачева, В.Ф. Желтобрюхов В.Ф., А.Б. Голованчиков, Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности (Тамбов, 15 мая 2015 г.), ООО «Консалтинговая компания ЮКОМ», Тамбов, 2015. С. 36-37.
11. Н.В. Грачева, В.Ф. Желтобрюхов, Фундаментальные и прикладные исследования в технических науках в условиях перехода предприятий на импортозамещение: проблемы и пути решения (Стерлитамак, 17-18 декабря 2015 г), Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, 2015. С. 91-92.
12. Пат. РФ 2578037 (2015).
13. М.В. Катковская, М.А. Кухарчик, Актуальные проблемы современной медицины (Минск, 2008 г.), БГМУ, Минск, 2008. С. 173.
14. Государственная фармакопея СССР. Медицина, Москва, 1987. 389 с.
© Н. В. Грачева - канд. техн. наук, зав. лабораторией кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» ВолГТУ, [email protected]; В. Ф. Желтобрюхов - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» ВолгГТУ
© N. V Gracheva, Candidate of Technical Sciences, Head of the Laboratory of « Industrial ecology and life safety», VSTU, [email protected]; V F. Zheltobryukhov, Doctor of Technical Sciences, professor, Head of the Department of of «Industrial ecology and life safety», VSTU.
