CC BY
104
Химия растительного сырья. 2011. №4. С. 273-276.
УДК 615.2./3.8.07
УСТАНОВЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХУСЛОВИЙ ЭКСТРАКЦИИ ЛИСТЬЕВ ЛОПУХА БОЛЬШОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ПЛАНИРОВАНИЯ
© Л.М. Федосеева', O.A. Ковалев, М.А. Биндюк
Алтайский государственный медицинский университет, пр. Ленина, 40, Барнаул, 656099 (Россия), e-mail: [email protected]
Для разработки технологии экстракта сухого установлены оптимальные условия экстракции листьев лопуха большого методами математического планирования эксперимента.
Ключевые слова: лопух большой, экстракция, планирование эксперимента.
Введение
Растущий интерес к фитотерапии стимулирует расширение и обновление ассортимента за счет внедрения в научную медицину растений народной медицины и разработки новых фитопрепаратов на их основе.
В народной медицине широко используются листья лопуха большого при заболеваниях желудочно -кишечного тракта, сахарном диабете, злокачественных новообразованиях, воспалениях слизистой оболочки полости рта, кожных и др. [2].
Листья лопуха являются перспективным сырьем для внедрения в медицинскую практику, поэтому разработка технологии получения сухого экстракта из листьев лопуха, содержащего комплекс водорастворимых веществ, является актуальной проблемой.
Способ расчета процесса экстрагирования сырья устанавливает взаимосвязь между параметрами, определяющими его эффективность: степень истощения сырья (эффективность экстракции), соотношение внешнего и внутреннего соков, число ступеней экстракции.
Переходя к исследованиям, в выборе исходных данных экстракционного процесса ориентировались на теоретические основы экстрагирования лекарственного растительного сырья, на результаты определения экстрактивных и биологически активных веществ листьев лопуха большого, а также на данные их растворимости. Цель настоящей работы - установление оптимальных условий экстракции листьев лопуха большого.
Экспериментальная часть
Объектами исследования служили листья лопуха большого, собранные в период цветения в окрестностях Барнаула в 2005-2006 гг.
При разработке способа получения экстракта из листьев лопуха большого необходимо найти оптимальные условия экстракции из растительного сырья с целью максимального извлечения действующих веществ при минимальных затратах сырья, экстрагента и времени. Применен симплексный метод математического планирования эксперимента. Для описания эксперимента в области оптимума поставили неполный факторный эксперимент. Оптимальный режим извлечения биологически активных веществ из листьев лопуха большого установлен по методу крутого восхождения по поверхности отклика с использованием линейного уравнения [1].
В качестве метода экстракции применяли ремацерацию, экстрагентом служила вода очищенная.
* Автор, с которым следует вести переписку.
На полноту извлечения биологически активных соединений из лекарственного растительного сырья влияют: измельченность, соотношение сырья и экстрагента, время, число и температура настаивания.
Исходя из теоретических основ экстракции в равновесных условиях [3] мы ввели следующие ограничения на переменные факторы: измельченность сырья (Х1) от 0,5 до 3,5 мм; соотношение сырья и экстрагента (х2) от 1 : 5 до 1 : 15; время одного настаивания (х3) от 15 до 45 мин; число мацераций (х4) от 2 до 4; температура (х5) от 20 до 100 °С (табл. 1).
Параметром оптимизации служило истощение листьев лопуха большого по экстрактивным веществам. Нами установлено, что чем больше содержание экстрактивных веществ (36,75±0,335%), тем выше содержание биологически активных соединений - дубильных веществ (9,34±0,032%) при снижении экс-трактивности растительного сырья (34,67±0,118%) уменьшается количество БАС - дубильных веществ (7,99±0,019%).
Таблица 1. Исходные уровни переменных факторов экстракционного процесса
Фактор Уровни варьирования Интервал варьирования, с;
нижний ОСНОВНОЙ, а; верхний
Измельченность сырья, мм (х^ 0,5 2 3,5 1,5
Соотношение сырья и экстрагента (х2) 1 : 5 1 : 10 1 : 15 5
Время одного настаивания, мин (х3) 15 30 45 15
Число мацераций (х4) 2 3 4 1
Температура, °С (х5) 20 60 100 40
Обсуждениерезультатов
Используя данные переменных факторов, мы составили рабочую матрицу симплекс-плана (табл. 2).
Реализацию рабочей матрицы симплекс-плана проводили по единой схеме. В качестве примера опишем эксперимент для 80 (вершина 1). 10,0 г листьев лопуха большого (с точностью до 0,01), измельченных до размера частиц 1 мм, помещали в плоскодонную колбу и заливали 117 мл воды очищенной (коэффициент поглощения сырья 2,74), нагретой до 55 °С и настаивали 27 мин. По истечении срока настаивания сливали все свободно истекающее извлечение, сырье заливали 90 мл воды той же температуры и вновь настаивали 27 мин. После слива второй вытяжки проводили третью мацерацию в тех же условиях. Все три слива объединяли и присоединяли отжим из шрота. Общий объем извлечения составил 270 мл. После фильтрации определяли содержание экстрактивных веществ - 29,83%. Выход составил 81,18% (параметр оптимизации).
По аналогичной схеме проведены опыты всех 12 вершин симплекс-плана. При вращении в факторном пространстве найдена вершина 10 с переменными факторами: Х1 = 2,4; х2 = 13; х3 = 24; х4 = 3; х5 = 90; которые лежат в области предполагаемого оптимума.
Для описания эксперимента в области оптимума и составления уравнения поверхности отклика поставили неполный факторный эксперимент типа 25-2. В каждой из восьми точек этого плана проводили по пять независимых опытов, в таблице 3 приведено среднее арифметическое значение параметра оптимизации.
Реализация первого опыта проведена соответственно при следующих условиях: Х1 = 1, х2 = 10, х3 = 20, х4 = 4, х5 = 80. Выход экстрактивных веществ (уЭКспер.) при этом составил 92,34%. Все последующие опыты проводили в соответствии с матрицей плана по схеме, описанной выше.
Таблица 2. Рабочая матрица симплекс-плана
Симплекс Вершина Переменные факторы Параметр
симплекса х1 Х2 Х3 Х4 Х5 оптимизации, у, %
1 1 9 27 3 55 81,18
2 3 9 27 3 55 81,56
3 2 13 27 3 55 87,66
4 2 10 39 3 55 83,41
5 2 10 30 4 55 78,64
6 2 10 30 3 86 84,34
Б! (1,2,3,4,6) 7 2 10 30 2 69 87,98
Б2 (2,3,4,6,7) 8 3,4 12 34 3 73 83,84
Б3 (3,4,6,7,8) 9 1,6 13 37 3 80 87,86
84 (3,6,7,8,9) 10 2,4 13 24 3 90 93,43
(3,6,7,9,10) 11 0,6 12 25 3 79 90,78
Б6 (3,7,9,10,11) 12 1,4 14 27 3 63 70,0
Установление оптимальных условий экстракции
275
Таблица 3. Матрица плана неполного факторного эксперимента типа 25 2
Фактор Параметр оптимизации
х1 х2 х3 х4 х5 Уэкспер.% У % расчет.' и
Основной уровень (а1) 2 13 25 3 90
Интервал варьирования (с1) 1 3 5 1 10
Опыт 1 - - - + - 92,34 92,45
2 - + - - + 92,37 92,95
3 + - - - + 86,89 86,33
4 + + - + - 90,06 89,95
5 - - + + + 94,61 94,51
6 - + + - - 90,02 89,45
7 + - + - - 82,27 82,83
8 + + + + + 91,90 92,01
Реализовав матрицу неполного факторного эксперимента и рассчитав коэффициенты регрессии, мы получили уравнение экспериментального процесса, которое позволило рассчитать урасЧетное (табл. 3).
у = 90,06 - 2,28x1 + 1,03х2 - 0,36х3 + 2,17х4 + 1,39х5. (1)
Проверка значимости коэффициентов уравнения регрессии (1) по ^критерию при достоверной вероятности 0,95 (односторонний критерий) позволила отбросить коэффициенты, незначимо отличающиеся от нуля, и привести уравнение к следующему виду:
у = 90,06 - 2,28x1 + 2,17x4. (2)
Проверка уравнения (2) по критерию Фишера подтвердила его адекватность результатам эксперимента: Рэкспер. = 0,025 < Б0 05 (4,16) = 3,01. Уравнения (1) и (2) дают представление о количественном влиянии каждого фактора на выход экстрактивных веществ процесса экстракции и показывают возможность управления этим процессом.
С целью экономии сырья, экстрагента, времени производства экстракта листьев лопуха большого в ходе дальнейших технологических исследований были конкретизированы условия экстракции и установлен оптимальный режим извлечения биологически активных веществ из листьев лопуха большого по методу крутого восхождения по поверхности отклика с использованием линейного уравнения [1, 3].
Сущность метода заключается в том, что небольшое число опытов, поставленных по определенному плану, дает возможность рассчитать наиболее крутое направление, в котором ставится опыт. Для этого, учитывая основной уровень (а!), интервал варьирования (сО и коэффициенты регрессии (ЬО, рассчитывают шаг И = с1Ь1/2, а далее и условия проведенных мысленных опытов (а1 + И1), данные представлены в таблице 4.
Из рассчитанных трех мысленных опытов воспроизведен первый при х1 = 2, х2 = 10, х3 = 30, х4 = 3, х5 = 100, взятых на основном уровне, и второй опыт. При реализации первого опыта истощенность сырья составила 96,76%, что в пределах ошибки опыта близко к теоретическому 100%. Увеличение числа мацераций и уменьшение измельченности сырья не приводит к увеличению выхода экстрактивных веществ, т.е. проведение третьего опыта не имеет смысла.
Таблица 4. Крутое восхождение по поверхности отклика
Характеристики х1 х4 У, %
Основной уровень (а1) 2 3
Интервал варьирования (с1) 1 1
Коэффициент (Ь1) -2,28 2,17
с1 • Ь1 -2,28 2,17
Расчет шага: И1 = с1Ь1/2 -1,05 1
Шаг (И1) -1 1
Мысленные опыты 1 2 3 96,76
2 1 4 95,05
3 пыль 5
Выводы
Таким образом, в результате использования методов математического планирования эксперимента установлены оптимальные условия экстракции листьев лопуха: измельченность сырья - 2 мм, соотношение сырья и экстрагента - 1:10, время одной мацерации - 30 мин, число мацераций - 3, температура - 100 °С.
Данные использованы для разработки технологии и схемы производства экстракта листьев лопуха.
Список литературы
1. Беликов В.Г., Пономарев В.Д., Коковкин-Щербак Н.И. Применение математического планирования и обработки результатов экспериментов в фармации. М., 1983. 232 с.
2. Палов М. Энциклопедия лекарственных растений / под ред. И. А. Губанова. М., 1998. 467 с.
3. Пономарев В.Д. Экстрагирование лекарственного сырья. М., 1976. 202 с.
Поступило в редакцию 2 июля 2010 г.
