CC BY
24
Научная статья УДК 60-7
https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2022.3.40
Технология получения биологически активных веществ из лишайников с высокой биологической активностью
А. И. ЩербаковаР. В. Сергеев
Поволжский государственный технологический университет, Российская Федерация, 424000, Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3 [email protected]
Введение. Биологически активные вещества лишайников обладают широким спектром биологической активности. Методики экстрагирования вторичных метаболитов из лишайников направлены в основном на увеличение выхода усниновой кислоты, наиболее изученного лишайникового метаболита. Цель исследования - разработка технологии получения экстрактов из лишайников с заданными свойствами. Объекты и методы исследования. Объектами исследования выбраны лишайники Cladonia arbuscula (Wallr.) Flot. и Evernia prunastri (L.) Ach.. Экстракты из данных лишайников были получены методами последовательной и параллельной мацерации с использованием гексана, дихлорметана и ацетонитрила в качестве растворителей. Результаты и обсуждене. Изучено влияние выхода экстрактов из лишайников в зависимости от метода мацерации. Согласно двухфакторному дисперсионному анализу как растворитель, так и метод мацерации влияет на выход биологически активных веществ, при этом при последовательной мацерации выход значительно выше. Также данный тезис актуален и при сравнении полученных результатов с результатами других авторов. Основываясь на вышесказанном, в данной работе была предложена технология получения биопродуктов из лишайников. Заключение. Предложенная в данной статье технология, разработанная на основе результатов лабораторных исследований биологической активности экстрактов из лишайников C. arbuscula и E. prunastri и исследований способов экстрагирования, позволит получать экстракты с заданными свойствами.
Ключевые слова: C. arbuscula; E. prunastri; экстракция; мацерация; технологическое решение
Финансирование: исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Грант № 075-15-2021-674) и Центра коллективного пользования «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» Поволжского государственного технологического университета, Йошкар-Ола.
Введение. Использование растительных объектов, исследования активности их метаболитов и разработка биотехнологии их получения для фармацевтической промышленности являются актуальной научной задачей, над решением которой работают ведущие мировые лаборатории [1]. В этом плане лишайники являются перспективными объектами исследования. Лишайники - эволюционно сформированный симбиотический организм [2, 3] между двумя и более партнёрами. Данный симбиоз позволяет им вырабатывать уни-
кальные вторичные метаболиты, лишайниковые вещества, некоторые из которых до настоящего времени не обнаружены в свободноживущих представителях ассоциации.
Существует ряд методик экстрагирования вторичных метаболитов из растительных объектов, вклющающих в себя мацерацию, перколяцию, отвар, горячую экстракцию в аппарате Сокслета и др. [4]. В случае вторичных метаболитов лишайников в основном методики разрабатывались для извлечения усниновой кислоты,
© Щербакова А. И., Сергеев Р. В., 2022.
Для цитирования: Щербакова А. И., Сергеев Р. В. Технология получения биологически активных веществ из лишайников с высокой биологической активностью // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер: Лес. Экология. Природопользование. 2022. № 3 (55). С. 40-51. https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2022.3.40
как наиболее изученного компонента лишайников, и её соли [5-7].
Наиболее раннее упоминание экстрагирования усниновой кислоты было в 1961 году. Методика представлена многостадийным процессом, включающим в себя экстракцию бензолом, с последующей двухкратной обработкой сухого экстракта хлороформом с осаждением холодным спиртом [8]. Данный метод был модифицирован, при этом выход экстрактивных веществ увеличился [5]. Кроме того, существует метод получения натурального препарата Ягель-М, обладающего антитуберкулёзным действием. Отличительной особенностью является то, что на выходе будет соль усниновой кислоты [6, 9]. Также была предложена методика выделения усниновой кислоты мацерацией в кипящем ацетоне с последующим осаждением экстрактивных веществ охлаждённым спиртом [10].
Кроме усниновой кислоты лишайники синтезируют также и другие вещества, обладающие биологической активностью, методы извлечения которых отличны от методов извлечения усниновой кислоты. Так, полисахаридную фракцию, обладающую иммуномодулирующими свойствами, можно получить путём отвара слоевища лишайника в воде [11, 12].
Для получения широкого спектра экстрактивных веществ Н. С. Лысковой и др. были проведены исследования влияния паралелльной мацерации различными растворителями на выход экстрактивных веществ как с ультразвуковой (УЗ) обработкой в 18 кГц, так и без неё [13].
Для получения экстрактов из лишайников С arbuscula и E. prunastri описан способ экстрагирования ацетоном в аппарате Сокслета [14]. При последовательной экстракции гексаном, метилацетатом и метанолом под давлением при температуре 100 °С из С arbuscula были получены экстракты с антитуберкулёзным действием [15]. Экстракты из E. prunastri с анти-
микробными свойствами были получены мацерацией в метаноле при комнатной температуре в течение 24 часов [16, 17]. А метанольная экстракция в аппарате Сокс-лета в течение 48 часов позволила получить экстракт из E. prunastri с антигено-токсическими свойствами [18].
Спектр извлекаемых веществ из лишайников и их объём варьирует. Наиболее ресурсосберегающий способ - мацерация, при котором количественный выход экстрактивных веществ высок, при этом экстракты также проявляют высокую биологическую активность. Таким образом, цель исследования - разработка технологии получения экстрактов из лишайников с заданными свойствами.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1) провести лабораторные исследования выхода экстрактивных веществ из лишайников;
2) на основе лабораторных исследований предложить технологическую схему получения экстрактивных веществ;
3) определить контрольные критические точки предложенной технологии.
Объекты и методы. Объектами данного исследования выбраны лишайники С arbuscula и E. prunastri. Предварительно перед экстракцией лишайники очищали от примесей, высушивали в тёмном, хорошо проветриваемом помещении и измельчали в ступке.
Для получения экстрактов из лишайников использовали следующие методы экстрагирования: последовательную мацерацию в разнополярных растворителях (рис. 1) и параллельную мацерацию с теми же условиями, что и последовательная [4].
Полученные жидкие экстракты отфильтровывали в колбу Бунзена через фильтровальную воронку Шотта и упаривали под вакуумом при 60 °С до объёма 5 мл. Осадок высушивали в вытяжном шкафу и хранили в химической посуде из тёмного стекла при температуре +4 °С.
Рис. 1. Схема получения экстрактов из лишайников методом мацерации разнополярными растворителями Fig. 1. Scheme of the extraction from lichens by maceration with solvents of different polarities
Результаты и обсуждение. Из лишайников Evernia prunastri и СШота агЬшсп1а были получены разнополярные экстракты методами параллельной и последовательной мацерации.
Результаты анализа выхода экстрактивных веществ с использованием разно-полярных растворителей при параллельной и последовательной экстракции приведены на рис. 2 и в табл. 1.
700,00
„, 600,00 §
н
1 500,00
а
н
m 400,00
S
S 300,00 V
I 200,00
я
1 100,00
0,00
фар'
las«*
I Гексан
C. arbuscula ■ Дихлорметан
Le5ö>'
фос-
¡Sep.«
рва"
16,00
14,00 и о
12,00 a я a
10,00 (J a m и
8,00 о ц
6,00 в « 3
4,00 и а я S
2,00 S ^ и
0,00
E. prunastri
I Ацетонитрил ^^^Суммарный выход, %
Рис. 2. Выход экстрактивных веществ из лишайников Fig. 2. The yield of lichen extracts
Таблица 1. Суммарный выход экстрактивных веществ из лишайников в зависимости от способа экстракции
Table 1. Total yield of lichen extracts depending on the extraction method
Праллельная экстракция Последовательная экстракция
Растворитель Выход, % (масс.) Растворитель Выход, % (масс.)
Гексан 2,80 Гексан 2,73
Дихлорметан 4,73 Дихлорметан 3,80
Ацетонитрил 60 % 4,78 Ацетонитрил 60 % 6,22
Результаты двухфакторного дисперсионного анализа приведены в табл. 2 (С. агЬтси1а) и в табл. 3 (Е. prunastri).
В обоих случаях, как при экстрагировании из С. агЬтсиМ, так и при экстрагировании из Е. prunastri, взаимодействие между обоими факторами значительно ^ > Fкр.), следовательно, можно сделать вывод, что как способ мацерации, так и растворитель влияют на выход экстрактивных веществ.
В целом, выход экстрактивных веществ из лишайников при последовательной мацерации выше, чем при параллельной и расход лишайников в три раза меньше. При последовательной мацера-
ции при увеличении полярности растворителей значительно возрастает выход метаболитов из лишайников в отличие от параллельной экстракции. Данный эффект можно объяснить увеличением проницаемости клеточной стенки.
Сравнение полученных результатов с результатами других авторов [10, 13] подтвердило, что параллельная мацерация с используемыми растворителями увеличивает выход экстрактивных веществ из лишайников: горячим ацетоном в течение 30 минут - 1,7 - 2,3 % [10], в этиловом спирте - 0,34 - 0,35 % и в диоксане - 0,08 -0,11 % [13].
Таблица 2. Двухфакторный дисперсионный анализ зависимости выхода экстрактивных веществ из лишайника C. arbuscula от способа мацерации (последовательная или параллельная) и от используемого растворителя
Table 2. Two-way ANOVA test of the dependence of the yield of extracts from the lichen C. arbuscula on the maceration method (sequential or parallel) and the solvent
Источник вариации SS df MS F P-Значение F кр.
Выборка 2616,06 1 2616,06 7,78 1,63E-02 4,75
Столбцы 259018,8 2 129509,4 385,32 1,30E-11 3,89
Взаимодействие 12611,44 2 6305,72 18,76 2,02E-04 3,89
Внутри 4033,33 12 336,11
Итого 278279,6 17
Таблица 3. Двухфакторный дисперсионный анализ зависимости выхода экстрактивных веществ из лишайника E. prunastri от способа мацерации (последовательная или параллельная) и от используемого растворителя
Table 3. Two-way ANOVA test of the dependence of the yield of extracts from the lichen E. prunastri on the maceration method (sequential or parallel) and the solvent
Источник вариации SS df MS F P-Значение F кр.
Выборка 12853,39 1 12853,39 30,39 1,34Е-04 4,75
Столбцы 263656,4 2 131828,2 311,69 4,54E-11 3,89
Взаимодействие 94099,11 2 47049,56 111,24 1,8E-08 3,89
Внутри 5075,33 12 422,94
Итого 375684,3 17
Для исследований биологической активности использовали экстракты, полученные методом последовательной мацерации.
Для исследований биологической активности использовали экстракты, полученные методом последовательной мацерации. Исследования биологической активности, проведённые ранее, показали, что ацетонитрильный экстракт, полученный параллельной мацерацией из Е. prunastri, обладает высокими антибактериальной и антиглиобластомной активностями, дихлорметановый экстракт, полученный параллельной мацерацией из Е. prunastri, обладает высокими антибактериальной, антиглиобластомной и цито-токсическими активностями, и гексано-вый экстракт, полученный параллельной мацерацией из Е. prunastri, обладает анти-оксидантной активностью [19-23].
Основываясь на данных исследованиях, была разработана технология получения биопродуктов из лишайников, включающая в себя несколько этапов (рис. 3). Конечные продукты (биопродукты) технологии: гексановый, дихлорметановый, ацетонитрильный экстракты и шрот лишайников в качестве сорбента. Ранее шроты лишайников, полученные в данном исследовании, были проверены на базе Поволжского государственного технологического университета на их способность адсорбировать тяжёлые металлы [8, 24]. Авторы пришли к выводу, что сорбцион-ная способность шрота Е. prunastri ионов свинца (0,242 ммоль/г) (потенциально канцерогенные [24-26]) превышает данное значение для целлюлозы и хитозана (0,015 и 0,217 ммоль/г соответственно [24]), что говорит о преимуществе использования шрота.
Рис. 3. Блок-схема технологии получения биопродуктов из лишайников Fig. 3. Schematic diagram of the technology for obtaining lichen bioproducts
Рис. 4. Блок-схема технологии вакуумно-сублимационной сушки биопродуктов из лишайников Fig. 4. Schematic diagram of the technology of vacuum freeze-drying of lichen-derived bioproducts
Высушивание в вакуумно-сублима-ционной сушилке осуществляется в несколько этапов (рис. 4).
Этап подготовки включает в себя процесс от сбора сырья и до концентрированного экстракта (рис. 4). На стадии замораживания создаётся вакуум в камере и происходит охлаждение концентратов до температуры их затвердевания. Для получения более мелких кристаллов льда заморозка должна быть быстрой. Г. В. Семеновым и др. было установлено, что процесс заморозки сырья растительного происхождения быстрее всего протекает при температуре -10 °С и давлении 250 Па [27]. Этап сублимации предполагает медленный нагрев замороженных продуктов до точки перехода льда в пар, т. е. непосредственно процесс сушки продукции. При низком атмосферном давлении (порог «тройная точка» из расчёта для воды при 0,01 °С давление 611,657 Па) вода существует только в твёрдом и газообразном агрегатном состоянии, таким образом при данных условиях можно лёд перевести в пар напрямую без перевода его в жидкость.
Аппаратурно-технологическая схема получения экстрактов лишайников приведена на рис. 5.
До начала экстракции сырьё измельчают в барабанно-ножевой дробилке 1 до размера не менее 2 мм. Измельчённое сырьё отправляют в бункер 3 по транспортёру 2, а из бункера заданная масса сырья отправляется в биореактор 11 с режимом перемешивания через дозирующее устройство 4. Из ёмкости 5 в биореактор подаётся гексан через дозирующее устройство 6.
Через 24 часа экстрагирования полученный экстракционный раствор отправ-
ляют на фильтрацию под вакуумом 16, предварительно грубо отфильтровав через фильтр 12 биореактора. Вакуум в фильтре создаётся насосом 15, а воздух, откачанный при вакуумизации, собирается в ресивере 14.
Фильтрат, прошедший через фильтр 17, направляется в выпариватель 18. Охлаждение пара растворителя осуществляется вентилятором 19, а охлаждённый пар конденсируется в камере конденсации 20. После процесса выпаривания дистиллят собирается в ёмкость 22, а концентрат - в ёмкость 21. Концентрат высушивается в вакуумно-сублимацион-ной сушилке.
Аналогичной последовательности придерживаются при экстракции дихлор-метаном 7 и ацетонитрилом 9, отмеряя их объёмы дозирующими устройствами 8 и 10 соответственно.
После завершения экстракции шрот может быть использован в качестве биосорбента [28-30]. Шрот для использования в качестве биосорбента высушивается в сушильной камере 15. Транспортирование шрота из биореактора 11 осуществляется по транспортёру 14.
Для анализа рисков и критических контрольных точек (табл. 4) учитывались принципы, изложенные в ГОСТ Р 51705.1 - 2001 «Системы качества. Управление качеством пищевых продуктов на основе принципов ХАССП. Общие требования». Критические контрольные точки производственного процесса - это контроль на любом этапе производства, где могут возникнуть риски с безопасностью выпускаемой пищевой продукции1.
1 ГОСТ Р 57079-2016 «Биотехнологии. Классификация биотехнологической продукции».
Рис. 5. Технологическая схема получения экстрактов лишайников: 1 - барабанно-ножевая дробилка; 2, 13 - транспортёр; 3 - бункер; 4, 6, 8, 10 - дозирующее устройство; 5, 7, 9 - ёмкость для растворителей; 11 - биореактор; 12, 17 - фильтр; 14 - ресивер; 15 - вакуумный насос; 16 - вакуумный фильтр; 18 - выпариватель; 19 - вентилятор; 20 - конденсационная камера; 21 - ёмкость для концентрата; 22 - ёмкость для дестилята Fig. 5. Technological scheme of obtaining lichen extracts 1 - drum-knife crusher; 2, 13 - conveyor; 3 - hopper; 4, 6, 8, 10 - dosing device; 5, 7, 9 - solvent container; 11 - bioreactor; 12, 17 - filter; 14 - receiver; 15 - vacuum pump; 16 - vacuum filter; 18 - evaporator; 19 - fan; 20 - condensation chamber; 21 - concentrate container; 22 -distillate container
Таблица 4. Определение контрольных критических точек Table 4. Determination of critical control points
Наименование операции Опасный фактор Номер контрольной критической точки
Сбор сырья Высокое содержание тяжёлых металлов ККТ1
Очистка и измельчение Примеси ККТ2
Экстракция Примеси в растворителях ККТ3
По результатам проведённого анализа сделано заключение о возможности реализации ряда рисков, которые зависят от соблюдения параметров технологического процесса. Так, на этапе сбора сырья (ККТ1) необходимо удостовериться в степени загрязнённости лишайников тяжёлыми металлами. Содержание тяжёлых металлов не должно превышать норм, установленных в методике определения содержания тяжёлых металлов и мышьяка в лекарственном
растительном сырье и лекарственных растительных препаратах (ОФС.1.5.3.0009.15) и ПДК тяжёлых металлов и мышьяка в продовольственном сырье и пищевых продуктах (СП 4089-86). На этапе очистки (ККТ2) необходимо убедиться, что содержание других видов лишайников не более 5 %, органической примеси - не более 5 % и минеральной примеси - не более 1 % [10]. Контроль качества сырья определяется визуально. Повышенный процент при-
месей может изменить спектр извлекаемых веществ и повлиять на свойства экстрактов. Так же и на этапе экстрагирования (ККТ3): использование не растворителя с примесями может привести к извлечению других компонентов, что может повлиять на свойства экстрактов. Таким образом, для экстрагирования рекомендуется использовать растворители не ниже чистых для анализа (ч.д.а). На этапе конечной продукции (ККТ4) проводится выходной контроль на соответствие расчётным характеристикам. На выходе при экстрагировании гексаном образуются рассыпчатые кристаллы грязно-жёлтого цвета, при экстрагировании ди-хлорметаном - рассыпчатые кристаллы коричнево-зелёного цвета, при экстрагировании ацетонитрилом - кристаллы жёлто-зелёного или болотного цвета, образующие комочки.
Выводы. Опираясь на опубликованные научные источники, была выдвинута
гипотеза, что мацерация является альтернативным способом получения биологически активных веществ из лишайников. В лабораторных условиях были получены экстракты методами параллельной и последовательной мацерации. Двухфактор-ный дисперсионный анализ показал значимость влияния как растворителей, так и метода мацерации на выход экстрактивных веществ. Их суммарный выход, при одинаковом расходе лишайников, с использованием последовательной мацерации значительно выше. Ранее опубликованные нами исследования показали, что экстракты при последовательной мацерации обладают высокими антибактериальными и анти-глиобластомными свойствами, равными свойствам отдельных компонентов: усни-новой и эверновой кислот. На данном основании разработана технологическая схема получения биопродуктов из лишайников, предложенная в данной работе.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Fitzgerald M., Heinrich M., Booker A. Medicinal Plant Analysis: A Historical and Regional Discussion of Emergent Complex Techniques // Frontiers in Pharmacology. 2020. Vol. 10. P. 1480
2. Secondary metabolism in the lichen symbiosis / M.J. Calcott, D.F. Ackerley, A. Knight et al. // Chem. Soc. Rev. The Royal Society of Chemistry. 2018. Vol. 47, № 5. Pp. 1730-1760.
3. The Lichens' Microbiota, Still a Mystery? / M. Grimm, M. Grube, U. Schiefelbein et al. // Frontiers in Microbiology. 2021. Vol. 12. Pp. 1-25.
4. Extraction Technologies for Medicinal and Aromatic Plants / ed. S.S. Handa, S.P.S. Khanuja,
G.T. Longo. International centre for science and high technology, 2008. 266 p.
5. Пат. 2317076 Российская Федерация МПК А61К 31/343, A61K 36/09. Способ получения ус-ниновой кислоты / Половинка М.П., Салахутдинов
H.Ф., Панченко М.Ю.; заявитель и патентообладатель Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН (НИОХ СО РАН). № 2006112877/15; заявл. 17.04.2006; опубл. 20.02.2008. 5с.
6. Пат. 2385159 Российская Федерация МПК A61K 36/09, B01D 11/02, A61P 31/06. Способ получения препарата Ягель-М, обладающего противотуберкулезным действием / Филиппова Г.В., Шашурин М.М., Кершенгольц Б.М., Журавская А.Н., Ломовский О.И., Павлов Н.Г., Шеин А.А.; заявитель и патентообладатель Общество
с ограниченной ответственностью «Биотех». № 2007133339/15; заявл. 05.09.2007; опубл. 27.03.2010. 10 с.
7. Пат. 2582978 Российская Федерация МПК А61К 36/09, В0Ю 11/02. Способ получения твердого экстракта, обогащенного усниновой кислотой, из слоевищ лишайника рода «СМота» / Бровко О.С., Ивахнов А.Д., Паламарук И.А., Бой-цова Т.А., Боголицин К.Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук. №2014101091/15; заявл. 14.01.2014; опубл. 20.07.2015. 5 с.
8. Моисеева Е.Н. Биохимические свойства лишайников и их практическое значение. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1961. 82 с.
9. Механохимические технологии получения биологически активных веществ из лишайников /
B.В. Аньшакова, Б.М. Кершенгольц, Е.С. Хлебный [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13, № 1.
C. 236-240.
10.Малахова К.В., Зонтиков Д.Н., Марамо-хин Э.В. Особенности выделения вторичных метаболитов из слоевищ эпигейных лишайников в сезонной динамике // Сборник трудов седьмой научной конференции «Современные тенденции развития технологий здоровьясбережения»: Изд-во ФГБНУ ВИЛАР, 2019. С. 229-234.
11. In vitro and in vivo immunomodulating effects of traditionally prepared extract and purified compounds from Cetraria islandica / J. Freysdottir, S. Omarsdottir, K. Ingólfsdóttir et al. // Int. Im-munopharmacol. 2008. Vol. 8. P. 423-430.
12. Omarsdottir S., Olafsdottir E.S., Freysdottir J. Immunomodulating effects of lichen-derived polysac-charides on monocyte-derived dendritic cells // Int Im-munopharmacol. 2006. Vol. 6. № 11. Pp. 1642-1650.
13. Лыскова Н.С., Базарнова Ю.Г., Кручина-Богданов И.В. Изучение состава и свойств вторичных метаболитов лишайника Usnea barbata // Химия растительного сырья. 2018. № 1. С. 121-127.
14. Антимикробная и противогрибковая активность экстрактов лишайников, распространенных на территории Беларуси / Д.В Тапальский, Д.Р. Петренев, О.М. Храмченкова [и др.] // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2017. № 2. Pp. 60-65.
15. Activity of Scottish plant, lichen and fungal endophyte extracts against Mycobacterium aurum and Mycobacterium tuberculosis / A.Y. Gordien, A.I. Gray, K. Ingleby et al. // Phytother. Res. 2010. № 24. P. 692-698.
16. Lichens as source of versatile bioactive compounds / T. Mitrovic, S. Stamenkovic, V. Cvetkovic et al. // Biol. Nyssana. 2011. Vol. 2, № 1. Pp. 1-6.
17. Phytochemical constituents, antioxidant and antistaphylococcal activities of Evernia prunastri (L.) Ach., Pseudevernia furfuracea (L.) Zopf. and Rama-lina farinacea (L.) Ach. from Morocco / N. Aoussar, M. Achmit, Y. Es-sadeqy et al. // Arch. Microbiol. 2021. № 203. Pp. 2887-2894.
18. Antigenotoxic potencies of a lichen species, Evernia prunastri / L. Alpsoy, F. Orhan, G. Nardemir et al. // Toxicol. Ind. Health. 2015. Vol. 31, № 2. Pp. 153-161.
19. Щербакова А.И. Лишайники с высокой антиоксидантной активностью // Вестник Поволжского государственного технологического уни-веpситета. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. 2018. № 4 (40). С. 75-84.
20. Antimicrobial and antioxidant activity of Ever-nia prunastri extracts and their isolates / A. Shcherbako-
va, A. A. Stromstedt, U. Goransson et al. // World J. Microbiol. Biotechnol. 2021. Vol. 37, № 8. P. 129.
21. Pharmacological activities of Lichens from Russia / A. Shcherbakova, A. Koptina, M. Samiento-Diaz, G. Ulrich-Merzenich // Planta Med. 2015. Vol. 81, № S01. Pp. 226-227.
22. Screening of compounds of Evernia prunastri (L.) for their antiproliferative activity in glioblastoma cells / A. Shcherbakova, L. Nyugen, A. Koptina et al. // Planta Med. 2016. Vol. 82, № S01. P. 465.
23. Shcherbakova A., Ulrich-Merzenich G., Koptina A. Lichen substances sensitize the human glioblastoma cell line U87MG for the cytotoxic action of temozolomide // Oncology Research and Treatment. 2015. Vol. 38, № S05. Pp. 250-251.
24. Окснер А.Н. Определитель лишайников СССР. Морфология, систематика и географическое распространение / Отв. ред. А.Н.Окснер. Л.: Наука, 1974. Вып. 2. 284 с.
25. Урбанавичюс Г.П. Особенности разнообразия лихенофлоры России // Известия РАН. Серия географическая. 2011. № 1. С. 66-78.
26. Antimycobacterial activity of lichen substances / N.K. Honda, F.R. Pavan, R.G. Coelho [et al.] // Phytomedicine. 2010. № 17. Pp. 328-332.
27. Семенов Г.В., Краснова И.С., Петков И.И. Выбор режимных параметров вакуумной сублимационной сушки сухих термолабильных материалов с заданным уровнем качества // Вестник Международной академии холода. 2017. № 1. С. 18-24.
28. Семенов Р.В., Смирнов А.К., Смотрина Т.В. Сорбционные свойства шрота лишайника по отношению к ионам никеля (II) // Известия Уфимского научного центра РАН. 2014. № 3. Pp. 52-56.
29. Смирнов А.К., Смотрина Т.В., Емели-на О.Ю. Закономерности сорбционных процессов в системе шрот лишайника Cladonia sylvatica -водный раствор Zn (II) // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18, № 4. P. 44-46.
30. Смирнов А.К., Смотрина Т.В., Ярошевская Х.М. Сорбция свинца (II) лишайниковыми полисахаридами // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, № 14. P. 44-46.
Статья поступила в редакцию 08.08.2022; одобрена после рецензирования 01.09.2022;
принята к публикации 19.09.2022.
Информация об авторах
ЩЕРБАКОВА Анастасия Игоревна - старший преподаватель кафедры лесных культур, селекции и биотехнологии, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - вторичный метаболизм растений, натуральные лекарственные вещества и их активность. Автор 22 научных публикаций. ORCЮ: https://orcid.org/0000-0001-7720-8481
СЕРГЕЕВ Роман Владимирович - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры лесных культур, селекции и биотехнологии, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - лесная биотехнология. Автор 50 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5070-9021
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Scientific article UDC 60-7
https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2022.3.40
Technology for Obtaining Biologically Active Substances from Lichens with High Biological Activity
A. I. ShcherbakovaB, R. V. Sergeev Volga State University of Technology, 3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000, Russian Federation [email protected]
ABSTRACT
Introduction. Lichen bioactive substances have a wide spectrum of biological activity. Methods for the extraction of secondary metabolites from lichens are mainly aimed at increasing the yield of usnic acid, the most widely studied lichen metabolite. The goal of the study was to develop a technology for obtaining lichen extracts with desired properties. Objects and methods. Lichens C. arbuscula and E. prunastri were selected as the research objects. Extracts of these lichens were prepared by sequential and parallel maceration with hexane, dichloromethane, and acetonitrile as solvents. Results and discussion. The impact of the extraction method on the yield of lichen extracts was investigated. According to the two-way ANOVA test, both the solvent and the maceration method affect the yield of bioactive substances. The yield is much higher with sequential maceration. This thesis is also relevant in comparing the results of the present research with the findings of other authors. Therefore, in this work, a technology for obtaining bioproducts from lichens was proposed. Conclusion. Based on the results of laboratory studies of the biological activity of extracts from C. arbuscula and E. prunastri and the studies of extraction methods, the technology proposed in this paper will allow for obtaining extracts with desired properties.
Keywords: C. arbuscula; E. prunastri; extraction; maceration; technology solution
Funding: The research was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Grant № 075-15-2021-674) and Core Facility Centre «Ecology, biotechnologies and processes for obtaining environmentally friendly energy carriers» of Volga State University of Technology, Yoshkar-Ola.
REFERENCES
1. Fitzgerald M., Heinrich M., Booker A. Medicinal Plant Analysis: A Historical and Regional Discussion of Emergent Complex Techniques. Frontiers in Pharmacology. 2020. Vol. 10. P. 1480
2. Calcott M.J., Ackerley D.F., Knight A. et al. Secondary metabolism in the lichen symbiosis. Chem. Soc. Rev. The Royal Society of Chemistry. 2018. Vol. 47, № 5. Pp. 1730-1760.
3. Grimm M., Grube M., Schiefelbein U.et al. The Lichens' Microbiota, Still a Mystery? Frontiers in Microbiology. 2021. Vol. 12. Pp. 1-25.
4. Extraction Technologies for Medicinal and Aromatic Plants / ed. S.S. Handa, S.P.S. Khanuja, G.T. Longo. International centre for science and high technology, 2008. 266 p.
5. Polovinka M.P., Salahutdinov N.F., Panchen-ko M.Ju. Sposob poluchenija usninovoj kisloty [Method for preparing usninic acid]. Patent RF, no. 2317076, 2006.
6. Filippova G.V., Shashurin M.M., Kershen-gol'c B.M. et al. Sposob poluchenija preparata Jagel'-M, obladajushhego protivotuberkuleznym dejstviem [Method for making preparation of Jagel-M with an-tituberculous action] Patent RF, no. 2385159, 2007.
7. Brovko O.S., Ivahnov A.D., Palamaruk I.A. et al. Sposob poluchenija tverdogo jekstrakta, obogash-hennogo usninovoj kislotoj, iz slokvishh' lishajnika roda "Cladonia" [Method for producing solid extract enriched with usnic acid from lichen thallus of genus Cladonia]. Patent RF, no. 2582978, 2014.
8. Moiseeva E.N. Biokhimicheskie svoistva lishainikov i ikh prakticheskoe znachenie. [Biochemical properties of lichens and their practical importance]. Leningrad, Izd-vo AN SSSR, 1961. 82 p. (In Russ.).
9. Anshakova V.V., Kershengolc B.M., Khlebnyy E.S. et al. Mehanohimicheskie tehnologii poluchenija biologicheski aktivnyh veshhestv iz lishajnikov [Mechanochemical technologies of production of biologically active substances from lichens]. Izvestija Samarskogo nauchnogo centra Ros-sijskoj akademii nauk [Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2011. Vol. 13, № 1. Pp. 236-240. (In Russ.).
10.Malahova K.V., Zontikov D.N., Maramoh-in Je.V. Osobennosti vydelenija vtorichnyh metaboli-tiv iz sloevishh jepigejnyh lishajnikov v sezonnoj linamike [Features of isolation of secondary metabolites
from the thalli of Epihean lichens in the seasonal dynamics]. Sovremennye tendencii razvitija tehnologij zdorov'jasberezhenija: Sbornik trudov sed'moj nauch-noj konferencii [Modern trends in the development of health saving technologies: Collected papers of the seventh scientific conference]. 2019. Pp. 229-234. (In Russ.).
11. Freysdottir J., Omarsdottir S., Ingolfsdot-tir K.et al. In vitro and in vivo immunomodulating effects of traditionally prepared extract and purified compounds from Cetraria islandica. Int. Im-munopharmacol. 2008. Vol. 8. P. 423-430.
12. Omarsdottir S., Olafsdottir E.S., Freysdottir J. Immunomodulating effects of lichen-derived polysac-charides on monocyte-derived dendritic cells. Int Im-munopharmacol. 2006. Vol. 6. № 11. Pp. 1642-1650.
13.Lyskova N.S., Bazarnova Ju.G., Kruchina-Bogdanov I.V. Izuchenie sostava i svojstv vtorichnyh metabolitov lishajnika Usnea barbata [Study of the composition and properties of secondary metabolites of the lichen Usnea barbata]. Khimija Rastitel'nogo Syr'ja [Chemistry of Plant Raw Material]. 2018. № 1. Pp. 121-127. (In Russ.).
14.Tapalsky D.V., Petrenev D.R., Khramchen-kova O.M. et al. Antimikrobnaja i protivogribkovaja aktivnost' jekstraktov lishajnikov, rasprostranennyh na territorii Belorusi [Antimicrobial and antifungal activity of lichens prevalent in Belarus]. Zhurnal mikro-biologii, jepidemiologii i immunobiologii [Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology]. 2017. №2. Pp. 60-65. (In Russ.).
15. Gordien A.Y., Gray A.I. , Ingleby K. et al. Activity of Scottish plant, lichen and fungal endophyte extracts against Mycobacterium aurum and Mycobacterium tuberculosis. Phytother. Res. 2010. № 24. Pp. 692-698.
16. Mitrovic T., Stamenkovic S., Cvetkovic V. et al. Lichens as source of versatile bioactive compounds. Biol. Nyssana. 2011. Vol. 2, № 1. Pp. 1-6.
17. Aoussar N., Achmit M., Es-sadeqy Y. et al.Phytochemical constituents, antioxidant and an-tistaphylococcal activities of Evernia prunastri (L.) Ach., Pseudevernia furfuracea (L.) Zopf. and Rama-lina farinacea (L.) Ach. from Morocco. Arch. Microbiol. 2021. № 203. Pp. 2887-2894.
18. Alpsoy L., Orhan F., Nardemir G. et al. Anti-genotoxic potencies of a lichen species, Evernia prunastri. Toxicol. Ind. Health 2015. Vol. 31, № 2. Pp. 153-161.
19. Shcherbakova A.I. Lishajniki s vysokoj anti-oksidantnoj aktivnost'ju [Lichens with high antioxidative activity]. Vestnik Povolzhskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta. Seriya: Les. Ekologi-ya. Prirodopol'zovaniye [Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Forest. Ecology. Nature Management]. 2018. №4 (40). Pp. 75-84. (In Russ.).
20. Shcherbakova A., Strömstedt A. A., Görans-son U. et al. Antimicrobial and antioxidant activity of
Evernia prunastri extracts and their isolates. World J. Microbiol. Biotechnol. 2021. Vol. 37, № 8. Pp. 129.
21. Shcherbakova A., Koptina A., Samiento-Diaz M., Ulrich-Merzenich G. Pharmacological activities of Lichens from Russia. Planta Med. 2015. Vol. 81, № S01. Pp. 226-227.
22. Shcherbakova A., Nyugen L., Koptina A. et al. Screening of compounds of Evernia prunastri (L.) for their antiproliferative activity in glioblastoma cells. Planta Med. 2016. Vol. 82, № S01. P. 465.
23. Shcherbakova A., Ulrich-Merzenich G., Koptina A. Lichen substances sensitize the human glioblastoma cell line U87MG for the cytotoxic action of temozolomide // Oncology Research and Treatment. 2015. Vol. 38, № S05. Pp. 250-251.
24.Oksner A.N. Opredelitel' lishajnikov SSSR. Morfologija, sistematika i geograficheskoe rasprostranenie / Otv. red. A.N.Oksner. Vyp.2 [Identifi-cator of lichens of the USSR. Morphology, systematics and geographical distribution / gen.ed. by A.N.Oksner. Iss. 2]. Leningrad: NAUKA, 1974. 284 p. (In Russ.).
25.Urbanavichjus, G.P. Osobennosti raznoobra-zija lihenoflory Rossii [Specific features of lichen diversity of Russia]. Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya [Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Geographical Series]. 2011. №1. Pp. 66-78. (In Russ.).
26. Honda N.K., Pavan F.R., Coelho R.G. et al. Antimycobacterial activity of lichen substances. Phy-tomedicine. 2010. № 17. Pp. 328-332.
27. Semenov G.V., Krasnova I.S., Petkov I.I. Vy-bor rezhimnyh parametrov vakuumnoj sublimacionnoj sushki suhih termolabil'nyh materialov s zadannym urovnem kachestva [The choice of parameters for vacuum freeze-drying of dry heat-sensitive material with predetermined properties]. Vestnik Mezhdunarodnoj akademii holoda [Journal of International Academy of Refrigeration]. 2017. № 1. Pp. 18-24.(In Russ.).
28. Semenov R.V., Smirnov A.K., Smotrina T.V. Sorbcionnye svojstva shrota lishajnika po otnosheniju k ionam nikelja (II) [Sorption properties of lichen groats in relation to Ni (II) ions]. Izvestija Ufimskogo nauchnogo centra RAN [Proceedings of the RAS Ufa Scientific Centre]. 2014. №3. Pp. 52-56. (In Russ.).
29. Smirnov A.K., Smotrina T.V., Emelina O.Ju. Zakonomernosti sorbcionnyh processov v sisteme shrot lishajnika Cladonia sylvatica - vodnyj rastvor Zn (II) [Regularities of sorption processes in the lichen meal system Cladonia Sylvatica - water solution Zn (II)]. Vestnik tehnologicheskogo universiteta [Herald of Technological University]. 2015. Vol. 18, № 4. Pp. 44-46. (In Russ.).
30. Smirnov A.K., Smotrina T.V., Jaroshevskaja H.M. Sorbcija svinca (II) lishajnikovymi polisaharidami [Pb (II) sorption by lichen polysaccharides]. Vestnik tehnologicheskogo universiteta [Herald of Technological University]. 2016. Vol. 19, № 14. Pp. 44-46. (In Russ.).
The article was submitted 08.08.2022; approved after reviewing 01.09.2022;
accepted for publication 19.09.2022
For citation: Shcherbakova A. I., Sergeev R. V. Technology for Obtaining Biologically Active Substances from Lichens with High Biological Activity. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Forest. Ecology. Nature Management. 2022. № 3 (55). Pp. 40-51. (In Russ.). https://doi.org/10.25686/2306-2827.2022.3.40
Information about the authors
Anastasia I. Shcherbakova - Senior lecturer at the Chair of Forest Plantations, Selection and Biotechnology, Volga State University of Technology. Research interests - secondary metabolism of lichens, natural medicinal substances and their activity. The author of 22 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7720-8481
Roman V. Sergeev - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor of the Chair of Forest Plantations, Selection and Biotechnology, Volga State University of Technology. Research interests - forest biotechnology. Author of 50 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5070-9021
Contribution of the authors: All authors made an equivalent contribution to the paper preparation.
The authors declare that they have no conflict of interest.
All authors read and approved the final manuscript.
