CC BY
125
УДК 630.866.1+582.681.81:630.866
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС ЭКСТРАКЦИИ ПОЧЕК ТОПОЛЯ БАЛЬЗАМИЧЕСКОГО
© Г.А. Ложкина , Е.В. Исаева, Т.В. Рязанова
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: [email protected]
В работе изучено влияние различных факторов на процесс экстракции почек тополя бальзамического этиловым спиртом: концентрация экстрагента, продолжительность экстракции, температура экстрагента. Установлено, что определяющим фактором проведения процесса является температура. Получен экстракт в оптимальных условиях и определены его характеристики.
Введение
В настоящее время для производства лекарственных препаратов и косметических средств все большее применение находят натуральные растительные экстракты, в состав которых входят биологически активные вещества.
С давних времен почки тополя использовались в народной медицине в качестве антимикробного и успокаивающего средства. Исследования, проводимые в СибГТУ, показали наличие в почках тополя бальзамического значительного количества экстрактивных веществ (до 54%). Основную долю экстрактивных веществ составляют липиды - около 70%, также в экстракт переходят эфирные масла, флавоноиды, воска и др. [1].
При решении задачи практического использования экстрактивных веществ возникает необходимость определения условий их максимального извлечения. Поиск оптимальных условий проведения процесса является одной из наиболее распространенных научно-технических задач. На процесс проведения экстракции влияют различные факторы: способ экстракции, аппаратурное оформление процесса, вид экстрагента, его концентрация, температура и продолжительность проведения процесса, соотношение сырья и экстрагента и пр.
Установление роли факторов, определяющих процесс экстракции, безусловно, важно для оптимизации технологического процесса с целью повышения эффективности и увеличения выхода готовой продукции.
Цель настоящей работы - разработка оптимальных условий извлечения экстрактивных веществ из почек тополя.
Экспериментальная часть
В качестве объекта исследования использовали почки тополя бальзамического, заготовленные в феврале 2005 г. на территории Красноярска.
Содержание экстрактивных веществ и суммарных липидов в экстрактах определялось по общепринятым методикам [2, 3]. Для разделения суммарных липидов применяли метод колоночной хроматографии на силикагеле L100/160 с использованием в качестве элюентов хлороформа, ацетона и изопропанола [4]. Воска выделяли отстаиванием при температуре 0-4 °С в течение 12 ч и последующем фильтрованием. Количественный состав фенилпропаноидов определяли по методике, предложенной В.А. Куркиным и В.Б. Браславским [5]. Обработку экспериментальных результатов проводили общепринятыми методами [6].
Обсуждение результатов
Для нахождения максимального выхода экстрактивных веществ из почек тополя исследования проводили с использованием математических методов планирования эксперимента. Оптимизацию процесса осуществляли методом нелинейного программирования с решением системы уравнений регрессии и нахождением экстрему-
* Автор, с которым следует вести переписку.
ма параметра оптимизации при соблюдении ограничений, накладываемых на остальные параметры. В качестве выходного параметра оптимизации было выбрано содержание экстрактивных веществ и суммарных липидов.
Для определения влияния каждого фактора на выход экстрактивных веществ был использован план второго порядка - план Бокса [6]. В качестве независимых параметров выбраны следующие факторы: концентрация экстрагента; продолжительность процесса экстракции; температура экстрагента.
В качестве экстрагента был использован этиловый спирт, широко применяющийся для извлечения биологически активных веществ из растительных материалов. Этиловый спирт, как экстрагент, имеет следующие преимущества: не образует вредных соединений с экстрагируемым веществом, не вызывает коррозии оборудования, доступен как многотоннажный продукт химической промышленности, имеет относительно низкую температуру кипения (78 °С). Также этиловый спирт является достаточно хорошим консервантом и экологически безопасен. Это позволяет использовать полученные на его основе препараты как в парфюмерно-косметической промышленности, так и в медицине.
На практике для извлечения биологически активных веществ из древесной зелени применяют водно-этанольные растворы с различной концентрацией. Так, максимальное количество экстрактивных веществ из древесной зелени сосны извлекается этиловым спиртом с концентрацией 80%, из древесной зелени пихты -этиловым спиртом с концентрацией 96% [7, 8]. На основании имеющихся в литературе сведений при определении оптимальных условий извлечения экстрактивных веществ концентрацию этилового спирта изменяли от 66 до 94% с шагом варьирования 14%.
Процесс экстракции осуществляли при атмосферном давлении и постоянной температуре (с учетом температуры кипения экстрагента была выбрана максимальная температура экстракции 70 °С, шаг варьирования 15 °С). Проведенные ранее исследования показали, что при экстракции почек тополя бальзамического исчерпывающее экстрагирование достигается по истечении 5 ч [9]. С учетом этого продолжительность экстракции изменяли в интервале от одного до пяти часов с шагом варьирования 2 ч.
Исходя из анализа литературных данных было выбрано соотношение сухого сырья к экстрагенту 1 : 20, позволяющее обеспечить высокую скорость процесса экстракции и одновременно его экономическую целесообразность.
В таблице 1 приведены уровни и факторы варьирования при проведении эксперимента.
В ходе эксперимента получены результаты, приведенные в таблице 2.
Воспроизводимость опытов оценивали по критерию Кохрена, значимость коэффициентов уравнения регрессии, по критерию Стьюдента, адекватность регрессионных моделей, по критерию Фишера.
Уравнения регрессии в кодированном виде имеют следующий вид:
- для экстрактивных веществ
у = 39,52+2,95х1+8,84х2+4,82х3-4,59х22-2,61х32+0,44х1хз+2,62х2хз;
- для суммарных липидов
у = 28,54+3,49х1+6,59х2+3,92х3-2,96х22-1,66х32+0,28х1х2+0,56х1х3+1,88х2х3.
Полученные математические модели оказались адекватными изучаемым процессам при доверительной вероятности 95%.
Влияние технологических факторов на выход экстрактивных веществ устанавливалось путем изучения одномерных сечений поверхности отклика (рис. 1, 2). Последние получали из уравнений регрессии. Зависимость выхода экстрактивных веществ от изучаемых технологических факторов показана на рисунке 1, зависимость выхода суммарных липидов - на рисунке 2.
Анализируя полученные данные, установлено, что наиболее значимым параметром является температура проведения экстракции. Экстрагирование при температуре, близкой к температуре кипения экстрагента (70 °С) по сравнению с экстракцией при 40 °С, повышает выход экстрактивных веществ примерно в 2 раза. Выход суммарных липидов при этом также увеличивается. Аналогичные данные получены С. Н. Васильевым при экстрагировании древесной зелени ели европейской [10].
Таблица 1. Уровни факторов и интервалы варьирования
Факторы Уровни факторов Интервал варьирования
-1 0 +1
х[ - концентрация этилового спирта, % 66 80 94 14
х2 - температура, °С 40 55 70 15
х2 - продолжительность экстракции, ч 1 3 5 2
Таблица 2. Результаты оптимизации процесса экстракции
№ опыта Концентрация этилового спирта, % Температура, °С Продолжительность экстракции, ч Содержание, % к а.с.с.
экстрактивных веществ суммарных липидов
1 94 70 5 49,54 38,84
2 66 70 5 46,41 32,12
3 94 40 5 30,91 24,11
4 66 40 5 21,00 14,47
5 94 70 1 37,50 28,73
6 66 70 1 29,91 20,19
7 94 40 1 23,13 17,46
8 66 40 1 21,17 14,08
9 94 55 3 43,09 31,66
10 66 55 3 36,20 25,09
11 80 70 3 45,56 33,62
12 80 40 3 24,30 17,52
13 80 55 5 42,93 31,94
14 80 55 1 30,90 21,82
Рис. 1. Влияние различных условий экстракции на выход экстрактивных веществ
Рис. 2. Влияние различных условий экстракции на выход суммарных липидов
Продолжительность экстракции оказывает значительное влияние на выход экстрактивных веществ. Процесс экстракции, в зависимости от скорости, делится на два периода - быстрый и медленный. Сначала извлекаются наиболее доступные для растворителя биологически активные вещества, расположенные на поверхности частиц почек и непрочно связанные со структурой экстрагируемого материала. Этот процесс определяется скоростью растворения и массоотдачи от поверхности материала. Во втором периоде происходит извлечение экстрактивных веществ из труднодоступных частей почек молекулярной диффузией; интенсивность процесса при этом резко снижается. Основная масса экстрактивных веществ извлекается в течение первого периода, так за первый час экстракции извлекается около 70%. Наибольшее количество сухих ве-
ществ получено при продолжительности экстракции 5 ч. Выход суммарных липидов в течение первого часа также составил около 70 % от максимального количества.
При увеличении концентрации этилового спирта выход экстрактивных веществ и суммарных липидов возрастает более чем в 1,6 раза.
оптимальные значения параметров в натуральном выражении равны: концентрация этилового спирта -94%, температура проведения процесса - 70 °С, продолжительность экстракции - 5 ч.
Компонентный состав спиртового экстракта, полученного в оптимальных условиях, в пересчете на единицу абсолютно сухого сырья, приведен в таблице 3.
основным компонентом спиртового экстракта являются липиды, содержание которых составляет свыше 78%. Большая часть липидов представлена нейтральными соединениями - более 73%, на долю гликолипидов приходится 18,5%, фосфолипидов - 1,5% от суммарных липидов. Также в составе спиртового экстракта обнаружены эфирные масла (6,3%), воска (4,2%), пигменты (43,3 мг% от экстрактивных веществ). На долю фенилпропаноидов (флавоноиды и гидроксикоричные кислоты), обеспечивающих антимикробные свойства экстракта, приходится более 16% экстрактивных веществ.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о реальной возможности переработки почек тополя с получением липидного концентрата, эфирных масел, восков, антимикробных препаратов, которые благодаря своим свойствам могут найти широкое применение в производстве товаров бытовой химии и парфюмерно-косметических препаратов.
Таблица 3. Состав спиртового экстракта почек тополя бальзамического
Наименование компонента Содержание, % от а.с.с.
Экстрактивные вещества, в том числе: 49,5
нейтральные липиды 28,5
гликолипиды 9,2
фосфолипиды 0,7
Фенилпропаноиды (в пересчете на кверцетин) 8,3
Воскообразные вещества 2,1
Хлорофилл, мг% 20,1
Каротиноиды, мг% 1,3
Выводы
В результате проделанной работы были определены оптимальные условия процесса экстракции этиловым спиртом почек тополя бальзамического. Установлено, что наиболее существенным, определяющим фактором является температура. С помощью полученных уравнений регрессии возможно варьировать параметры экстракции.
Список литературы
1. Бурдейная Т.М., Исаева Е.В. Вегетативная часть тополя как сырье для получения биологически активных веществ // Вестник СибГТУ. 2002. №2. С. 37-40.
2. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1991. 320 с.
3. Рязанова Т.В., Чупрова Н.А., Исаева Е.В. Химия древесины. Красноярск, 1996. 358 с.
4. Кейтс М. Техника липидологии. М., 1975. 322 с.
5. Ченцова Л.И., Шайхатдинова М.Н., Борисова Т.В. Переработка древесной зелени хвойных с получением экс-
трактов, обогащенных биологически активными веществами // Переработка растительного и утилизации отходов: Сб. науч. тр. Красноярск, 1994. Вып. 1. С. 139-143.
6. Пен Р.З. Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного производства. Красноярск, 1982. 192 с.
7. Шанина Е.В., Репях С.М. Выделение экстрактивных веществ водно-этанольными растворами из древесной зелени Pirns silvestris // Химия растительного сырья. 2003. №1. С. 61-63.
8. Браславский В.Б., Куркин В.А., Запесочная Г.Г., Безрукова Н.А. Количественное определение суммы флаво-ноидов и гидроксикоричных кислот в почках некоторых видов Populus L. // Растительные ресурсы. 1991. Т. 27. Вып. 3. С. 130-134.
9. Ложкина Г.А., Исаева Е.В. Оптимизация процесса экстракции из почек тополя бальзамического // Химия и химическая технология в XXI веке: Мат. VII Всерос. науч.-практ. конф. Томск, 2006. С. 216-217.
10. Васильев С. Н. Технология экстрактивных веществ древесной зелени ели европейской (Picea Abies (L) Karst) с
получением биологически активных препаратов: Автореф. дис. ... докт. техн. наук. СПб., 2000. 40 с.
Поступило в редакцию 20 апреля 2007 г.
