CC BY
6О.А. Ёршик, Г.Н. Бузук
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЫРЬЯ НА ЭКСТРАКЦИЮ ПРОАНТОЦИАНИДИНОВ И ТЕКСТУРУ КОРНЕВИЩ С КОРНЯМИ САБЕЛЬНИКА БОЛОТНОГО
Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет
Изучено влияние механохимической обработки корневищ с корнями сабельника болотного на содержание в них биологически активных веществ. Механохимическая активация корневищ с корнями сабельника болотного сопровождается изменением соотношения фракций проантоцианидинов в сторону увеличения неэкстрагируемых
форм. Добавка сульфита натрия приводит к образованию механокомпозита с повышенной устойчивостью к экстракции экстрагируемых проантоцианидинов. Проведение механохимической активации корневищ с корнями сабельника болотного позволяет увеличить степень извлечения экстрагируемых проантоцианидинов.
Механохимическая обработка сырья не приводит к качественным изменениям состава проантоцианидинов корневищ с корнями сабельника болотного.
Выявлены закономерные изменения параметров текстуры с изменением времени механоактивации, что может использоваться для экспрессного и недеструктивного способа контроля параметров измельчения без проведения ситового или химического анализов.
Ключевые слова: сабельник болотный, проантоцианидины, экстрагируемые и неэкстрагируемые проантоцианидины, механохимическая обработка, текстура.
ВВЕДЕНИЕ
Основная часть биологически активных веществ растения находится в клетках. Скорость экстракции и выход продукта определяются диффузией растворителя в частицах растительного сырья. Для максимально эффективной экстракции клетки должны быть разрушены. Для разрушения клеток и ускорения диффузионных процессов используют механическую обработку сырья [1].
Механохимия используется с целью синтеза непосредственно в мельнице, смягчений условий синтеза традиционными методами, придания требуемых эксплуатационных свойств (активность, прочность). Применяется при производстве сорбентов и катализаторов, продуктов растениеводства и животноводства, промыш-ленно выращиваемых микроорганизмов, отходов лесоперерабатывающей промышленности, растительного сырья [2].
Механическая активация приводит к уменьшению размера частиц и сокращению диффузионных путей, что должно благоприятно сказываться на процессе экстракции. Однако некоторые органические соединения, особенно сложного строения, могут быть неустойчивы в ходе интенсивной механической обработки.
Цель: выявление зависимостей, протекающих при механохимической активации корневищ с корнями сабельника болотного, а также изучение изменений структуры полученных порошков растительного сырья.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве исходного сырья использовали корневища с корнями сабельника болотного, кислоту аскорбиновую «ч.д.а.», сульфит натрия «ч.д.а.».
Механохимическую активацию проводили в мельнице пружинного типа. Время обработки 0-20 минут. Также проводили механоактивацию корневищ с корнями сабельника болотного с добавлением кислоты аскорбиновой (5% от массы сырья) и добавок сульфита натрия (5% от массы сырья).
Для определения физико-химических последствий механохимической активации проводили экстракцию образцов, полученных в различных условиях. Исходный образец, образец, механически обработанный без добавок, и образцы, активированные добавками, анализировали спектро-фотометрическим методом (содержание экстрагируемой, неэкстрагируемой суммы проантоцианидинов, суммы фенольных соединений), методом тонкослойной хроматографии [3].
Для изучения параметров текстуры порошки образцов, подвергнутых механохи-мической активации, сканировали (сканер EPSON Perfection 1270 в режиме: 24 бит, 400 dpi). Полученные изображения обрабатывали с помощью программы Imagej ver. 1.41 h, используя подпрограмму GLCM Texture Too для анализа текстуры. Определяли параметры изображений [4-9]:
Энергия (Energy) - показатель однородности;
Энтропия (Entropy) - показатель беспорядочности;
Обратный момент разности (Inverse Difference Moment) - показатель однородности;
Инерция (Inertia) - показатель контрастности;
Корреляция (Correlation) - параметр корреляции элементов матрицы;
Оттенок (Shade);
Выпуклость (Prominence);
Контраст (Contrast) - показатель локального изменения интенсивности;
Второй угловой момент (Angular Second Moment-- ASM). ASM - параметр однородности;
Дисперсия (Variance) - параметр разброса от среднего значения;
Гомогенность (Homogeneity) - показатель однородности.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунке 1 представлены результаты количественного определения экстрагируемой суммы проантоцианидинов (ЭПРЦ), не-экстрагируемой суммы проантоцианидинов
(НЭПРЦ), суммы фенольных соединений (ФС) при механической активации корневищ с корнями сабельника болотного. При механической обработке корневищ с корнями сабельника болотного содержание экстрагируемых проантоцианидинов резко снижается, в то время как содержание неэкстрагируемой суммы проантоцианидинов увеличивается.
Механохимическая активация корневищ с корнями сабельника болотного с добавкой сульфита натрия приводит к образованию механокомпозита с повышенной устойчивостью к экстракции экстрагируемых проантоцианидинов (ЭПРЦ) (рисунок 2).
Х,% (левая ось ординат) - экстрагируемая сумма проантоцианидинов; Y,% (левая ось ординат) - сумма фенольных соединений; Хп,% (правая ось ординат) - неэкстрагируемая сумма проантоцианидинов
Рисунок 1 - Содержание в корневищах с корнями сабельника болотного биологически активных веществ в зависимости от времени обработки в мельнице (п,мин)
Х,% (левая ось ординат) - экстрагируемая сумма проантоцианидинов; Y,% (левая ось ординат) - сумма фенольных соединений; Хп,% (правая ось ординат) - неэкстрагируемая сумма проантоцианидинов
Рисунок 2 - Содержание в корневищах с корнями сабельника болотного биологически активных веществ в зависимости от времени обработки в мельнице (п,мин) с добавкой
сульфита натрия
Обнаружено, что продукты механохи-мической активации корневищ с корнями сабельника болотного с аскорбиновой кислотой обладают повышенным выходом фе-нольных соединений в процессе экстракции (рисунок 3). С помощью механохи-мической обработки корневищ с корнями сабельника болотного с аскорбиновой кислотой в течение 5 минут можно увеличить выход фенольных соединений (мономер-
ных катехинов) на 50%. Кинетика экстракции мономерных катехинов формируется двумя разнонаправленными процессами: извлечением катехинов из растительного сырья и деградацией катехинов в растворе. При механохимической активации с аскорбиновой кислотой образуется в твердой фазе механокомпозит с повышенной устойчивостью к деградации мономерных катехинов в растворе.
Х,% (левая ось ординат) - экстрагируемая сумма проантоцианидинов; Y,% (левая ось ординат) - сумма фенольных соединений; Хп,% (правая ось ординат) - неэкстрагируемая сумма проантоцианидинов
Рисунок 3 - Содержание в корневищах с корнями сабельника болотного биологически активных веществ в зависимости от времени обработки в мельнице (п,мин) с добавкой
аскорбиновой кислоты
При сравнении образцов (таблица 1) исходного растительного сырья (№1) и механически обработанного в течение 3 минут (№4) видно, что механическая обработка резко снижает содержание в корневищах с корнями сабельника болотного
экстрагируемых проантоцианидинов. Добавление аскорбиновой кислоты (№ 2,5) и сульфита натрия (№ 3,6) не влияет на выход проантоцианидинов при проведении экстракции и механохимической активации.
Таблица 1 - Выход экстрагируемых проантоцианидинов (X,%) в зависимости от вида
№ Обработка/вид экстракции X,%
1 Исходное сырье, исчерпывающая экстракция 4,89
2 Исходное сырье, исчерпывающая экстракция с 5% аскорбиновой кислоты 4,82
3 Исходное сырье, исчерпывающая экстракция с 5% сульфита натрия 4,80
4 Механохимическая активация без добавок в течение 3 мин 0,45
5 Механохимическая активация с 5% аскорбиновой кислоты в течение 3 мин 0,53
6 Механохимическая активация с 5% сульфита натрия в течение 3 мин 0,50
Также были изучены изменения структуры (текстуры) порошков корневищ с корнями сабельника болотного при меха-нохимической обработке (рисунок 4).
При изучении текстуры порошков достоверно значимыми параметрами были:
второй угловой момент (ASM), обратный момент разности (IDM), контраст (Contrast), энергия (Energy), энтропия (Entropy), гомогенность (Homogeneity), дисперсия (Variance), инерция (Inertia), корреляция (Correlation). Как видно из
ю
у = ЗЕ-Обх - ЗЕ-05х + 0,0002
R = 0,9787
10
15
20
АБМ
Energy
у = 5,0512х - 271,29х + 3467,9 R2 =0,9299
Variance
0,2 0,15 0,1 0,05 0
у = 0,0003х/ - 0,001х +0,0655 R2 = 0,9554
10 шм
15
20
Entropy
1600 у = 2,7892х2 -120,79х +1358,1
1400 R2 = 0,9731
1200 * ♦
1000
800
600
400
200
0
0 5 10 15 20 п
Inertia
0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
4,50Е-03 4,00Е-03 3,50Е-03 3,00Е-03 2,50Е-03 2,00Е-03 1,50Е-03 1,00Е-03 5,00Е-04 0,00 Е+00
у = 2,7933xz -121,94х + 1376,3 R2 = 0,9644
10 15 20 п
Contrast
у = 0,0003х2 + 0,0013х + 0,1206
10
15
20
Homogeneity
у = 1Е-05х -7Е-05Х +0,0003
10
15
20 п
Correlation
Рисунок 4 - Зависимость показателей текстуры от времени (п, мин) механохимической активации корневищ с кортами сабельника болотного
bo
0
3 а:
я «
1
-к я
я ^
Kj
<Ь
Kj О
I
-С
я
<3
я §
-я я я
данных, представленных на рисунке 4, параметры, характеризующие текстуру, закономерно изменяются при изменении времени механохимической обработки сабельника болотного. Данный факт представляет значительный интерес при разработке недеструктивного экспресс-метода для определения времени для измельчения до необходимой степени.
Все порошки корневищ с корнями сабельника болотного, подвергнутых механохимической активации, исследовали методом тонкослойной хроматогра-
фии. На хроматограммах всех исследованных образцов обнаруживали четыре зоны темно-синего цвета (фенольные соединения). Таким образом, при всех видах механохимической активации в качественном составе корневищ с корнями сабельника болотного изменений не происходит, а порошкованный продукт образуется без деградации целевых соединений.
Измельчение корневищ с корнями сабельника болотного протекает в течение 10 минут измельчения (таблица 2, рисунок 5).
Таблица 2 ^ - Процент фракций сырья, прошедшего через сито (измельченность)
Диаметр пор сита, мкм Время измельчения сырья, мин
3 5 10 15 20
1000 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
800 98,9 99,0 100,0 100,0 100,0
500 95,7 95,4 100,0 100,0 100,0
315 80,3 76,8 94,5 97,0 99,0
250 59,9 51,4 84,3 91,1 96,3
160 40,1 31,5 71,7 78,8 86,2
80 21,5 14,7 33,0 29,1 2,7
0 (дно) 4,3 3,0 2,6 0,0 0,0
Рисунок 5 - Зависимость массы сырья (т, г), не прошедшего через сито,
от размера пор сита (п, мкм)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Механохимическая активация корневищ с корнями сабельника болотного приводит к изменению соотношения фракций проантоцианидинов в сторону увеличения неэкстрагируемых форм. При механохи-мической активации с добавкой сульфита
натрия образуется механокомпозит с повышенной устойчивостью к экстракции экстрагируемых проантоцианидинов. Отмечены закономерные изменения параметров текстуры с изменением времени ме-ханоактивации, что может быть использовано для экспрессного и недеструктивного способа контроля параметров порошко-
ванного продукта без проведения ситового или химического анализов.
SUMMARY
OA. Yorshyk, G.N. Buzuk THE INFLUENCE OF CONDITIONS OF THE MECHANICAL TREATMENT ON EXTRACTION OF PROANTHO-CYANIDINS AND TEXTURE OF RHIZOMES WITH ROOTS OF COMARUM PALUSTRE L.
The influence of mechanochemical treatment of powders of rhizomes with roots of Co-marum palustre L. on the content in them the biologically active substances was studied.
The mechanochemical treatment of rhizomes with roots of Comarum palustre L. is accompanied by change in the fraction ratio of proanthocyanidins in the direction of increasing of non-extractable forms. The addition of sodium sulfite leads to the formation of mechanocomposite with increased stability to extraction of extractable proanthocyani-dins. The conducting of mechanochemical activation of rhizomes with roots of Comarum palustre L. can increase the degree of extraction of extractable proanthocyanidins.
The mechanochemical treatment of raw material does not lead to the qualitative change of proanthocyanidins of rhizomes with roots of Comarum palustre L.
Natural changes of texture parameters are revealed with change of mechanical activation time which can be used for rapid test and non-destructive method for controlling of grinding parameters without screen or chemical analyzes.
Keywords: Comarum palustre L., proan-thocyanidins, extractable and non- extract-able proanthocyanidins, mechanochemical treatment, texture.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ломовский, И.О. Влияние условий механохимической обработки на экстракцию гиперицина из травы зверобоя / И.О. Ломовский // Химия растительного сырья. - 2012. - № 3. - С. 93-99.
2. Новые методы получения химиче-
ских продуктов из биомассы деревьев сти-бирских пород / Б.Н. Кузнецов [и др.] // Рос. хим. ж. - 2004. - Т. XLVIII. - № 3. - С. 4-20.
3. Ёршик, О.А. Влияние условий термической обработки сырья на экстракцию проантоцианидинов из корневищ с корнями сабельника болотного / О.А. Ёршик, Г.Н. Бузук // Вестник фармации. - 2014. -№ 1. - С. 10-17.
4. Haralick, R.M. Statistical and structural approaches to texture / R.M. Haralick // Proceedings of IEEE. - 1979. -Vol. 67. - N 5. - P. 786-804.
5. Haralick, R.M. Texture parameters for image classifcation / R.M. Haralick, К. Shanmugam, I. Dinstein - IEEE Trans SMC. - 1973. - Vol. 3. - P. 610-621.
6. Walker, R.F. Improving co-occurrence matrix feature discrimination / R.F. Walker, P. Jackway, I.D. Longstaff. In: Proceedings of the 3rd Conference on Digital Image Computing: Techniques and Applications (DICTA '95); 1995 December 6-8; Brisbane, Australia, 1995. - P. 643-648.
7. Haralick, R.M. Textural features for image classifcation. IEEE / R.M. Haralick, К. Shanmugam, I. Dinstein. Trans Syst Man Cybern 1973; SMC-3:610-621.
8. Кузьмичева, Н.А. Текстура поверхности и цвет в макроскопическом анализе листьев / Н.А. Кузьмичева, Г.Н. Бузук, Н.А. Горковчук // Вестник фармации. - 2013. -№ 4. - С. 17-27.
9. Бузук, Г.Н. Цветометрический и денситометрический методы анализа в стандартизации таблеток «Аскорутин» и «Рутаскорбин» / Г.Н. Бузук, Н.А. Кузьми-чева // Вестник фармации. - 2011. - № 3. -С. 12-18.
Адрес для корреспонденции:
210023, Республика Беларусь, г. Витебск, пр. Фрунзе, 27, УО «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет», кафедра фармакогнозии с курсом ФПК и ПК, тел. раб.: 8 (0212) 37-09-29, Ершик О.А.
Поступила 23.01.2013 г.
